بخشی از مقاله
خلاصه
وجود قوسهای متعدد یکی از مشخصههای اصلی رودخانههای جاری در مناطق کم شیب است که بررسی هیدرولیک جریان آن به دلیل وجود جریان حلزونی شکل ایجاد شده در قوس که موجب فرسایش در قوس بیرونی و رسوب گذاری در قوس درونی میشود، از پیچیدگی خاصی برخوردار است. از مشخصههای قوسهای موجود در مسیر رودخانههای طبیعی، همگرایی این قوسها است.
همگرایی در قوس رودخانه به نحوی است که در طی قوس به تدریج عرض رودخانه کم میشود حال آنکه که در تحقیقات انجام شده در بررسی هیدرولیک قوسها، همگرایی قوس کمتر مورد توجه بوده و تحقیقات بیشتر بر قوسهای با عرض ثابت متمرکز بوده است. در تحقیق حاضر، پیشبینی عددی الگوی جریان، در یک قوس 90 درجه همگرا با بستر صلب و با دبی مشخص به کمک مدل عددیSSIIM مورد توجه بودهاست.
تغییرات الگوی جریان شامل جریانهای ثانویه در مقاطع عرضی مختلف و نیز توزیع تنش برشی با استفاده از مدل عددی مذکور محاسبه و با نتایج مدل آزمایشگاهی مقایسه شده است. مقایسه نتایج مدلهای عددی و آزمایشگاهی حاصله، مبیّن توانایی مدل SSIIM در شبیهسازی الگوی جریان در قوس نود درجه همگرا است.نتایج مدلسازیهای صورت گرفته در این تحقیق نشان میدهد که در قوس نود درجه همگرا بیشترین میزان فرسایش از موقعیت 60 درجه شروع و تا انتهای قوس ادامه دارد.
1. مقدمه
مطالعه و تحقیق بر روی هیدرولیک جریان در قوس ها وآبگیرهای واقع بر روی قوس با روشهای تحلیلی، عددی و آزمایشگاهی از دیرباز مورد توجه محققین قرار گرفته است. جریان حلزونی پیچیدهای که در قوسها بوجود میآید، باعث وقوع پدیده فرسایش و رسوبگذاری موضعی میشود. از طرفی مکانیابی محل آبگیری از رودخانه ها از مشکلاتی بوده در ارتباط تنگاتنگ با هیدرولیک جریان در قوسها است و نظر محققین متفاوتی را به خود معطوف داشته است.
مطالعات متعددی در خصوص مسائل هیدرولیک جریان و رسوب در قوسها و آبگیرها صورت گرفته است که با رویکردهای تحلیلی و آزمایشگاهی، بیشتر به تعیین هیدرولیک جریان و رسوب در قوسها، بررسی پارامترهای مؤثر در کنترل ودفع رسوبات ورودی به آبگیرها و جریان در کانالهای قوسی پرداختهاند. Engelun - 1974 - به بررسی مشخصات جریان و توزیع تنش برشی در قوس با بستر ثابت پرداخت Falcon . - 1 - and Kennedy - 1983 - شرح دقیقتری از جریان و تغییرات بستر در رودخانه های قوسی را ارائه کردند - Hussen and Smith - 1986 - . - 2 خصوصیات جریان و رسوب در قوسها و شرایط توسعه جریانهای ثانویه را مورد مطالعه قرار دادند
Herbertson - 1993 - مطالعاتی در زمینه ارتفاع اولیه آبگیرها و رفتار جریان در قوسها انجام دادند - Georgia dou and smith - 1986 - . - 4 شرایط جریان در قوسهای همگرا و توزیع پروفیل سرعت همراه با نصب آبگیر در شرایط قوس همگرا را با استفاده از مدل فیزیکی و ریاضی بررسی کردند که البته مطالعات ایشان شرایط هیدرولیکی جریان را در یک موقعیت خاص شامل میشود
ایزدپناه وصالحی نیشابوری - - 1381، وشفاعیبجستان و نظری - - 1387، به اثر زاویه آبگیری بر میزان رسوبات ورودی به آبگیر پرداختند - 6و. - 7 صالحی نیشابوری واقبالزاده - - 1384نیز با انجام آزمایشاتی بر روی کانال با قوس 180به بررسی تغییرات بستر تحت یک جریان مشخص پرداختند - . - 8 بهترین مکان آبگیری بر پایه این مطالعات در قوسها و محلی است که بیشترین فرسایش رخ میدهد. از اینرو پیشبینی محل وقوع فرسایش که نتیجه آن چالهای فرسایشی است بهترین رهنمون برای مکان یابی محل آبگیری است.
مروری بر مطالعات مذکور نشان میدهد که ساحل بیرونی قوسهای رودخانهای که بیشترین فرسایش در آنجا رخ میدهد به عنوان مناسبترین محل آبگیری توصیه شده است. مطالعات گذشته وجود چنین چالهای را در قوس خارجی در خم نود درجه نرمال - با عرض ثابت - گزارش نموده اند. حال آنکه، بیشتر قوسهای طبیعی رودخانهها به دلیل همین پدیده رسوبگذاری و فرسایش از حالت نرمال خارج وبه تدریج به فرم همگرا تبدیل میشوند. در شرایط واقعی، که قوس همگرا میشود، توصیهای برای تعیین محل احداث آبگیر و یا محل وقوع چاله فرسایشی وجود ندارد از اینرو در تحقیق حاضر به کمک مدل عددی SSIIM به مدلسازی میدان جریان در خم نود درجه همگرا پرداخته شده و کارایی آن در پیشبینی هیدرولیک جریان در قوس نود درجه همگرا ارزیابی شده است.
2. مدلسازی عددی جریان
حل معادلات ناویر-استوکس بر پایه مدل k- در حالت سه بعدی توسط محققین متعدد به کار رفته و نتایج خوبی در مدلسازیها از کاربرد این روش گزارش شده است. مدل عددی Simulation of Sediment Movements In Water Intakes With Multi -block Option که به مدل SSIIM مشهور است از کدهای شبیهسازی است که معادلات ناویر-استوکس را بر پایه مدل k- در حالت سه بعدی حل میکند. معادله ناویر-استوکس برای جریان آشفته در یک هندسه سه بعدی برای بدست آوردن سرعت آب حل میشود و مدل k- برای محاسبه تنش برشی توربولانس مورد استفاده قرار میگیرد. در مدل مذکور، حل میدان جریان از معادلات رینولدز شامل پیوستگی - رابطه - 1 و ممنتوم - رابطه - 2 بدست میآید:
در ورودی بالادست میدان برای پارامترهای سرعت و آشفتگی از شرط مرزی دیواره به عنوان شرایط مرزی در مدل تهیه شده اعمال شده است.. در مرز خروجی، برای تمام متغیرها شرط مرزی گرادیان صفر اعمال میشود. در سطح آب نیز شرط مرزی گرادیان صفر برای تمامی متغیرها بجز انرژی جنبشی آشفتگی - - k اعمال شده است. برای k نیز در سطح آب مقدار صفر قرار داده میشود. برای شرط مرزی جداره، SSIIM از رابطه - 3 - در سلول های مجاور جداره استفاده میکند.
کانال مدلسازی شده در SSIIMدقیقاً مشابه مدل آزمایشگاهی تهیه شده است، که در بخش بعد معرفی خواهد شد. کانال مستقیمی به طول 4/5 متر و عرض 60 و ارتفاع 40 سانتیمتر قبل از قوس پیشبینی شده که به قوسی با زاویه مرکزی 90 درجه و همگرا که عرض آن از 60 سانتیمتر است میپیوندد. این عرض به طور یکنواخت کاهش یافته و در انتهای قوس به 30 سانتیمتر تقلیل می یابد.در ادامه ، کانالی به طول 2 متر و مستقیم به عرض 30 و ارتفاع 40 سانتیمتر است پیش بینی شده است.
هندسه میدان به گونهای تعریف شده است که در نواحی نزدیک به دیواره به جهت داشتن گرادیان های شدیدتر از شبکه ریزتری استفاده شده است. همچنین با هدف کم کردن زمان محاسبات، شبکه به گونهای تنظیم شده است که در جهت جریان و با نزدیک شدن به قوس شبکه ریز و با خروج از قوس شبکه درشتتر خواهد شد. استفاده از یک شبکهبندی بهینه در جهت قائم بر صفحه کانال نیز مورد توجه قرار گرفته است. زمان اجرای محاسبات و میزان مطابقت نتایج آزمایشگاهی با نتایج حاصل از مدلسازی عددی، دو فاکتور مهم در انتخاب شبکهبندی بهینه می باشند که با در نظر گرفتن دو فاکتور فوق ابعاد شبکه بهینه در این تحقیق 154×8×9 انتخاب شده است، که به ترتیب نشان دهنده تقسیمات در راستای طولی، عرضی وارتفاعی میباشد. محاسبات نشان میدهد که ریزتر کردن شبکه در کنار افزایش زمان اجرا، باعث تغییر اساسی در دقت محاسبات نشده است. شکل -1 - ب - شمایی از شبکه بندی تولید شده به تعداد 1232 سلول را را نشان میدهد.
3. مدلسازی آزمایشگاهی
برای بررسی کارایی مدل عددی اشاره شده در بالا، لازم است که نتایج مدلسازی صورت گرفته با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردد. کانال مورد آزمایش در این تحقیق شامل سه بخش زیر میباشد:
· کانال مستقیم به طول 4/5 متر جهت آرام کردن جریان ورودی به عرض 60 سانتیمتر و ارتفاع 40 سانتیمتر؛
· قوسی با زاویه مرکزی 90 درجه و همگرا که عرض آن از 60 به 30 سانتیمتر به طور یکنواخت تغییر میکند. ارتفاع این قسمت 40 سانتیمتر و شعاع مرکزی قوس 170 سانتیمتر در نظر گرفته شده است.
• کانالی به طول 2 متر و مستقیم به عرض 30 و ارتفاع 40 سانتیمتر که در انتهای این کانال دریچهای به ابعاد 30 40 سانتیمتر از نوع فرمانی و قابل تنظیم در نظر گرفته شده است.
در این تحقیق، شیب کلی فلوم صفر در نظر گرفته شده است. در انتهای فلوم نیز مخزنی به ابعاد 3 0/6 1 متر میباشد و در انتهای این مخزن نیز یک سرریز ذوزنقهای استاندارد نصب شده است. سیستم انتقال آب این بررسی آزمایشگاهی، به گونهای است که بعد از پمپاژ آب توسط پمپ از مخزن زیرزمینی و انتقال آن به ابتدای کانال پس از عبور آب از فلوم اصلی و ریزش آن به مخزن انتهایی، پس از اندازهگیری دبی جریان مجدداً به مخزن زیرزمینی تخلیه میشود.
کف و جداره مدل از شیشه شفاف از جنس پلاکسی گلاس با ضخامت 6 میلیمتر ساخته شده است. کل اسکلت فلوم از قوطی فلزی ساخته شده، به طوری که مجموعه فلوم بر روی یک شاسی با ارتفاع 1 متر از سطح زمین قرار می گیرد. برای اندازهگیری سرعت از یک دستگاه سرعت سنج دیجیتالی پروانهای با دقت - PVM - 0/02 که محدوده اندازهگیری سرعت آن از 5 تا 150 سانتیمتر در ثانیه می باشد استفاده شده است. شکل -1 - الف - هندسه کانال مورد نظر را در مدل آزمایشگاهی نشان میدهد - نظری، - 1387 و شکل -1 - ب - نشاندهنده شبکه مورد استفاده در مدل عددی SSIIM میباشد.
- الف - - ب - شکل -1 مشخصات هندسی و جزئیات مدل آزمایشگاهی مورد مطالعه - الف - جزئیات شبکهبندی انجام شده در مدلسازی عدی - ب -
4. نتایج
برای بررسی کارایی مدل شبیهسازی عددی، نتایج حاصل از مدل عددی توسعه داده شده و مدل آزمایشگاهی معرفی شده از نظر الگوی جریان، توزیع بردارهای سرعت، خطوط همسرعت و توزیع تنش برشی بستر بطور مجزا بررسی گردید که در ادامه به طور مجزا به آنها پرداخته خواهد شد.
