بخشی از مقاله
خلاصه
برآورد نیروی امواج سونامی وارد بر سازههای ساحلی یکی از مهمترین راههای مقابله با پدیده سونامی میباشد. در این تحقیق نیروی وارد بر سازه ساحلی بر اثر موج سونامی به کمک نرم افزار Flow-3D با استفاده از سه نوع مدل آشفتگی k- ، RNG و LES شبیهسازی شد. ابتدا برای پیشبینی دقیق خصوصیات امواج سونامی، با استفاده از دادههای اندازهگیری شده توسط توسیانسن و همکاران - 2008 - در فلوم آزمایشگاهی صحتسنجی شد. بررسی انجام شده نشان داد که نتایج مدل RNG در مقایسه با k- و LES بهتر میباشد. سپس با استفاده از این مدل آشفتگی برای اعتبارسنجی مدل عددی با مدل آزمایشگاهی توسیانسن و همکاران - 2007 - و مقایسه اثر نیروی موج سونامی بر سازه مکعبی و استوانهای شکل پرداخته شده است. مقادیر محاسبه شده نیرو از این دو سازه نشان میدهد که نیروی وارد بر سازه استوانهای کمتر از مکعبی است.
کلمات کلیدی: امواج سونامی، سازههای ساحلی، نیرو، شبیهسازی عددی، مدل آشفتگی، نرمافزار .FLOW-3D
.1 مقدمه
بلایای طبیعی یکی از دغدغههای اصلی جوامع بوده و کاهش تلفات ناشی از این بلایا همواره مورد توجه است. در این میان سونامی یکی از بلایای مهم در مناطق کنار ساحل به شمار میرود، امواجی که نسبت طول موج به عمق برای آنها بزرگتر از 20 باشد امواج بلند نامیده میشود، موج سونامی نوعی از امواج بلند محسوب میشود.[1] امواج سونامی منشاءهای مختلفی دارند که مهمترین آنها شامل زمین لرزههای زیردریایی و زمین لغزشها هستند. گاهی طوفانهای بزرگ نیز قادر به تولید امواج سونامی هستند که به آنها متئوسونامی2 میگویند .[2]امروزه اثرات مخرب حاصل از برخورد امواج سونامی به سازههای کنار ساحل بسیار مورد توجه قرار گرفته است و کاهش این تلفات و آسیبها مورد نظر است. برای آگاهی از اثرات امواج سونامی بر سازههای کنار ساحل، ابتدا باید نیروهای ایجاد شده توسط این امواج را شناسایی کرد و سپس به چگونگی مقاوم سازی سازهها پرداخت. مسئلهی عمدهای که سازههای ساحلی را از سازههای متعارف جدا میسازد، وجود امواج در برخورد با سازه است. وجود امواج نه تنها در ارتعاشات اثر میگذارد، بلکه عاملی مهم برای ایجاد نیروهای خارجی است.
این مسئله هم بر قسمتهای بالایی سازه و هم بر فونداسیون سازه که اکثراً به صورت شمع است، اثر میگذارد. با پیشرفت روزافزون سختافزاری و نرمافزاری کامپیوترها، استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی راه حلی مطمئن و ارزان جهت شبیهسازی امواجهای مختلف شده است که امواج سونامی از جمله این امواجها است. برای اینکه1CFD ابزار طراحی قابل اعتمادتر و قابل قبولتری شود، مطالعات عددی باید با نتایج آزمایشگاهی مطابقت داده شود. در این تحقیق مدل شبهسازی شده با نرمافزار FLOW-3D با کار آزمایشگاهی توسیانسن و همکاران - - 2008 مطابقت داده و نیروی وارده بر سازه را با آشفتگی k- ،2RNG و 3LES مدلسازی کرده و آشفتگی مناسب را برای ادامه شبیهسازی انتخاب نموده و سپس با استفاده از مدل آشفتگی مناسب به اعتبارسنجی مدل عددی با مدل آزمایشگاهی توسیانسن و همکاران - 2007 - و بررسی شکل سازه در کاهش نیروی وارد بر سازه ساحلی بر اثر موج سونامی پرداخته شده است.
.2 معرفی نرمافزار
نرمافزار Flow-3D معادلات حاکم بر حرکت سیال را با استفاده از تقریبهای حجم محدود حل میکند .محیط جریان به شبکهای با سلولهای مستطیلی ثابت تقسیمبندی میشود که برای هر سلول مقدارهای میانگین کمیتهای وابسته وجود دارد. یعنی همه متغیرها در مرکز سلول محاسبه میشوند به جز سرعت که در مرکز وجوه سلول محاسبه میشود. در این نرمافزار از دو تکنیک عددی برای شبیهسازی هندسی استفاده شده است .[3]
-1 روش حجم سیال : - VOF - این روش برای نشان دادن رفتار سیال در سطح آزاد مورد استفاده قرار میگیرد.
-2 روش کسر مساحت - حجم مانع : - FAVOR - این روش برای شبیهسازی سطوح و احجام صلب مثل مرزهای هندسی کاربرد دارد.
-3 معادلات حاکم بر جریان در نرمافزار
معادﻻت حاکم بر جریان سیال شامل معادله پیوستگی، معادله مومنتم و معادله پروفیل سطح آزاد میباشد.[4] الف - معادله پیوستگی معادله پیوستگی جریان یا معادله بقای جرم از قانون بقای جرم و با نوشتن معادله تعادل جرم برای یک المان سیال به دست میآید. به صورت کلی این معادله به شکل زیر نوشته میشود:که در آن v،u،w مولفههای سرعت به ترتیب در جهتهای y،x،z هستند. Ay،Ax،Az به ترتیب برابر مساحت کسری محیط به جریان در جهتهای y،x،z هستند.
ب - معادلات مومنتوم برای اجزای سرعت سیال در سه جهت مختصات، با یک سری ترمهای اضافه به صورت رابطههای - 2 - تا - 4 - زیر هستند.مترمکعب و P فشار سیال بر حسب پاسکال میباشند. سایر پارامترها در بالا معرفی شدهاند. ج - معادله پروفیل سطح آزاد در این نرمافزار از مدل حجم سیال هرت و نیکولاس - 1981 - برای بدست آوردن سطح آزاد استفاده شده است. مدل حجم سیال در این مدل میتواند سطح آزاد را ردگیری کرده و شرایط مرزی مناسب را در آن سطوح اعمال کند. برای این جریان آب و هوا، پارامتر F بیانگر کسر حجمی آب - سیال غیرقابل تراکم - ، و ناحیه متمم آن با کسر حجمی F1 معرف هوا - سیال تراکم پذیر - میباشد - شکل. - 1 معادلات حجم سیال در یک حجم واحد به صورت رابطهی - 5 - است. - 5 - که در آن:در روابط بالا µ برابر ضریب پخش مومنتم - لزجت - بر حسب کیلوگرم بر مترثانیه، f ضریب ثابت، Vf نسبت کسر حجم فضای باز به جریان، ρ دانسیته سیال بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب، vp ضریب پخش، Az - ،Ay، - Ax به ترتیب برابر مساحت کسری محیط به جریان در جهتهای z - ،y، - x هستند.
.4 مدل آزمایشگاهی
مدل آزمایشگاهی توسیانسن و همکاران - - 2007 در یک مخزن 4/5 متری در مقیاس 1:25 ایجاد شده است. زاویه شیب بستر دریا در اتصال به خشکی 15 درجه و در طول مخزن سنسورهای فشار آب منفذی قرار گرفته است. در شکل 2 ابعاد مخزن و محل قرارگیری سنسورها نشان داده شده است. در این آزمایش موج تنها با انداختن یک بلوک مستطیلی به جرم 100 کیلوگرم در قسمت عمیق مخزن آب ایجاد میشود. با جابهجایی ناگهانی آب در قسمت انتهایی مخزن موج به سمت
