بخشی از مقاله
خلاصه
پلها از جمله مهمترین و پر کاربردترین سازههای رودخانهای بوده و به عنوان کلید راههای ارتباطی از اهمیت زیادی برخوردار میباشند. پایه پل-هایی که در معرض جریانات رودخانهای قرار دارند همواره در معرض فرسایش قرار میگیرند. مدلهای فیزیکی مختلفی که برای بررسی رفتار جریان و فرسایش بستر پیرامون آنها ساخته شدهاند، همواره مشکلات ناشی از هزینه و تغییرات مقیاس را به همراه داشتهاند. لیکن کدهای دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - به صورت کارآمدتری میتوانند رفتار هیدرودینامیکی سیال را مورد ارزیابی قرار دهند.
در پژوهش حاضر شبیهسازی عددی فرآیند آبشستگی با روش مبتنی بر دینامیک سیالات محاسباتی موسوم به دینامیک مش انجام یافته است. مبنای بررسی حرکت اولیه رسوبات در اطراف پایه پل، میزان تغییرات تنش برشی بستر میباشد که این کد به منظور تحلیل الگوی جریان و محاسبه تنش برشی به نرم افزار Fluent لینک گردیده است. برای اطمینان از کارایی کدهای مورد استفاده خروجیهای حاصل از مدلسازی عددی با دادههای تجربی بدست آمده توسط ملویل و درگاهی مقایسه و ثابت گردیده است که این مدل قابلیت خوبی در پیش بینی الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه های پل را دارد.
1. مقدمه
پلها از جمله مهمترین و پرکارترین سازههای رودخانهای بوده و به عنوان کلید راههای ارتباطی از اهمیت زیادی برخوردار میباشند. با توجه به عوارض طبیعی زمین، استفاده از پلها در مسیر راهها اجتناب ناپذیر است. هر ساله با وقوع سیلاب در هر رودخانه تعداد زیادی از این پلها، در ست زمانی که بیشترین نیاز به آنها وجود دارد، تخریب میگردند. طبق آمارهای ارائه شده توسط کشورهای مختلف میتوان گفت اکثر تخریب پلها نه در اثر ضعف سازهای بلکه به دلیل عدم توجه کافی به معیارهای هیدرولیکی تخریب می گردند.
از نظر فنی، آبشستگی پدیده طبیعی است که بواسطه جریانآّب رودخانهها و یا سیلاب بوجود آمده، و نتیجه آن فرسایش و انتقال مواد از کف سواحل و اطراف سازه هایی نظیر پایههای پل میباشد. آبشستگی موضعی اثر موضعی سازه بر روی الگوی جریان می باشد که به صورت موضعی در پایین دست و یا اطراف سازه مورد نظر رخ می دهد.
تاکنون محققین زیادی مسئله آبشستگی پایههای پل را مورد مطالعه قرار دادهاند که به علت پیچیدگی و تعدد عوامل حاکم بر پدیده هنوز موفق به ارائه راه حل واحدی برای محاسبه عمق حفره آبشستگی و یا کاهش آن نشدهاند. مطالعاتی که تا کنون در بررسی پدیده آبشستگی انجام شده است را می توان به سه بخش نقسیم بندی کرد:
الف - استفاده از مدل های فیزیکی: در ارتباط با بررسی آبشستگی با استفاده از مدل های فیزیکی، تاکنون مدلهای فیزیکی، تحت شرایط ساده شده آزمایشگاهی انجام شده و روابط متعددی برای تخمین حداکثر عمق آبشستگی به دست آمده است. از جمله میتوان به کارهای ملویل [1] و درگاهی[2] اشاره کرد. از معایب روابط به دست آمده بر اساس مطالعات فیزیکی، ارائه جواب های نادرست در بعضی موارد تا 5 برابر عمق آبشستگی می باشد. خصوصا برای پایه های با هندسه و الگوی جریان پیچیده میزان خطای وارده در محاسبات بیشتر می گردد. همچنین در نظر گرفتن تعداد زیادی از شرایط پیچیده در مطالعات مدل فیزیکی بسیار وقت گیر و هزینه بر می باشد.
ب - استفاده از محاسبات نرم: استفاده از محاسبات نرم نظیر روش شبکه های عصبی نشان داده است که این روش ها جواب های دقیق تری نسبت به شبیه سازی های تجربی ارائه می دهند. از جمله تحقیقات انجام شده در این زمینه می توان به تحقیقات باتنی و همکاران [3] و فیرات و گنگور [4]اشاره کرد.
استفاده از روش شبکه های عصبی دو کاستی عمده دارد :
الف - داده های مورد بهره برداری در این تحقیقات اکثراً از اطلاعت آزمایشگاهی می باشند و از آنجایی که شرایط طبیعی تفاوت عمده با شرایط آزمایشگاهی دارد نمی توان به میزان دقت این شبیه سازی ها در موارد عملی اطمینان داشت.
ب - در این شبیه سازی ها مقطع هندسی پایه ها همواره به صورت استوانه ای فرض شده است و چون مقطع هندسی پایه از عوامل موثر بر بیشترین ژرفای آبشستگی در اطراف پایه های پل به حساب می آید نمی توان از شبکه های عصبی ارائه شده برای پایه های با مقاطع هندسی مختلف استفاده نمود.
ج - استفاده از مدل های عددی: به تازگی استفاده از شبیه سازی های عددی سه بعدی آبشستگی درحال گسترش یافتن می باشند
از مزایای استفاده از مدل های عددی می توان به مدل سازی هندسه های پیچیده و جریان های پیچیده اشاره کرد. همچنین کد های رایانه ای نسبت به آزمایش های مدل فیزیکی هزینه کمتری را به دنبال دارند.
در مقاله حاضر شبیه سازی ریاضی فرآیند آبشستگی بر اساس حل معادلات جریان و انتقال رسوب به روش اختلاف محدود ارائه شده است. برای این منظور، شبیه سازی آبشستگی پایه پل با استفاده از تکنیک دینامیک مش انجام شده است. در این راستا از مدل آشفتگی LES بر مبنای مدل زیر شبکه WMLES-Omega برای مدلسازی آشفتگی جریان بهره گرفته شده است.
در ابتدا توسط برنامه CFD انسیس فلوئنت مقدار تنش برشی در بستر محاسبه شده و سپس مقدار این تنش در هر سلول به عنوان یک پارامتر اصلی برای انتقال رسوب استفاده گردیده است. از این رو هر کدام از گره های بستر تحت شرایط مرزی دینامیک مش به منظور شبیه سازی آبشستگی بروز رسانی می شوند. با بررسی نتایج آبشستگی با داده های آزمایشگاهی ملویل[1] نشان داده می شود که روش مبتنی بر دینامیک سیالات محاسباتی به خوبی قابلیت پیش بینی عمق آبشستگی را دارد. درنهایت، ازطریق مطالعه موردی، تاثیر انواع مقاطع هندسی مختلف پایه پل بر رفتارهای آبشستگی توسط شبیهسازی ارائه شده را مورد بررسی قرار گرفته است. در حقیقت نشان داده شده است که این روش شبیه سازی، یک ابزار مناسب و قابل اعتماد برای بررسی و پیش بینی توسعه مکانی آبشستگی در اطراف پایه های پل است.
2. مدلسازی جریان در ناحیه آبشستگی
جریان سه بعدی سیالات تراکم ناپذیر چسبنده را می توان از طریق معادلات پیوستگی جرم و سه معادله مقدار حرکت در جهت محورهای مختصات دکارتی - x,y,z - موسوم به معادلات ناویر استوکس بیان کرد. این معادلات در واقع بیان ریاضی اصول پایستاری جرم و مقدار حرکت است که به صورت زیر بیان می شوند:
که در آن نمایشگربردار سرعت، نمایشگر عملگر دیورژانس و نمایشگر حاصلضرب اسکالر است.
3. مقدمه ای بر فیزیک جریان آشفته
برای حل معادلات حاکم بر سیال - معادلات ناویر استوکس - در حالت آشفته احتیاج به یکسری مدل سازی عددی می باشد. از روش های مهم و پرکاربرد شبیه سازی عددی تلاطم جریان، می توان به روش های LES ، DSN و RANS اشاره نمود. در این تحقیق حاضر از مدل آشفتگی LES استفاده شده است. در روش LES بجای میانگین گیری زمانی از روشی موسوم به فیلتر کردن استفاده می شود که میانگین گیری بر روی مکان می باشد. فیلتر کردن از لحاظ ریاضی در فضای فیزیکی به عنوان محصول کانولوشن نمایش داده شده و به صورت زیر تعریف می شود:
G تابع - یا هسته - فیلتر با طول است. پارامتر میتواند به صورت زیر تعریف شود:
4. تنظیم پارمترهای میدان محاسباتی
اولین گام در شبیهسازی عددی هر مسئلهای، تقسیم بندی منطقه مورد نظر به سلولهایی است که معادلات حاکم گسسته شده برای تک تک آنها حل خواهد شد. ساختن شبکه مناسب، اولین گام در فرآیند آماده سازی اطلاعات ورودی برای مدل عددی میباشد که دقت محاسبات، همگرایی و زمان محاسبات را تحت تاثیر قرار میدهد. با توجه به اهمیت پدیده آبشستگی اطراف خود پایه پل، در این تحقیق سعی شده سلولهای نزدیک پایه پل، ریزتر گردند تا بتوان گردابههای نعل اسبی، جریانهای رو به پایین در جلوی پایه و ناحیه گردابه های برخاستگی پشت پایه را به خوبی مدل سازی نموده و نیز زمان محاسبات را نسبت به حالتی که در کل میدان حل از سلولهای ریز استفاده گردد کاهش داد. برای رسیدن به این هدف فضای مربعی به ضلع حدود 3/5 برابر قطر سیلندر را مشخص کرده و تراکم مش با سه حالت مختلف بررسی شده است. در شکل 1 خطوط شبکه تعریف شده برای مسئله در پلان و ارتفاع کانال مشاهده میشود. با توجه به حساس بودن تغییرات سرعت درکف فلوم توزیع خطوط شبکه در نزدیکی بسترفشردهتر در نظر گرفته شده است.
شکل -1 نحوه مش بندی میدان محاسباتی
5. توصیف جریان و شرایط مرزی
جریان در یک دستگاه مختصات کارتزین - x,y,z - ارائه شده است. محور z در جهت قائم، محور x در جهت جریان و محور y عمود بر دو محور x و z بوده و در عرض کانال تنظیم شده است. یک سیلندر استوانهای با قطر D در معرض جریان با سرعت متوسط عمقی u قرار گرفته است. پیکربندی میدان جریان به صورت شماتیک در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل -2 چیدمان دامنه جریان و شرایط مرزی برای محاسبه جریان در اطراف سیلندر استوانهای مبنا
مقادیر موئلفههای سرعت و فشار بر روی مرزهای متفاوت در جدول 1 تشریح شده است. جریان در ورودی بر روی یک سرعت ثابت u تنظیم شده است، موئلفههای سرعت به صورت زیر تعریف شدهاند u=u0، v=0 و w=0 که u0 بیانگر جریان ثابت یکنواخت میباشد.
