بخشی از مقاله
خلاصه
وقوع پرشهای هیدرولیکی در جریانهای غلیظ به طرز چشمگیری بر خصوصیات هیدرولیکی، مورفولوژیکی و همچنین زیست محیطی دریاچهها و مخازن سدها تاثیر میگذارد. در این تحقیق رفتار جریان چگال شور در مجاورت شکستگی شیب به صورت عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. بدین منظور از معادلات متوسط-لایهای ناویر-استوکس و همچنین یک معادله تجربی استفاده شده و تاثیر شیب قسمت اولیه بستر و همچنین تاثیر زبری بستر بر پرش چگال بررسی شده است. با افزایش شیب قسمت اولیه بستر و با فرض ثابت باقی ماندن شرایط اولیه، نتایج مدل عددی به کار رفته، نشاندهنده انتقال موقعیت پرش به سمت پاییندست میباشد. همچنین با کاهش زبری بستر، انتقال موقعیت پرش چگال به سمت پاییندست، بیشتر میگردد.
-1 مقدمه
جریان دانسیته یا چگال در اثر اختلاف دانسیته با سیال محیطی بوجود میآید. این تفاوت دانسیته میتواند به علت وجود ذرات معلق، مواد محلول و یا تفاوتهای دمایی باشد. جریانهای دانسیته عموما با جریانهای جت آزاد و جریانهای معمولی انتقال دهنده رسوبات در رودخانه ها تفاوت دارند. نسیمهای دریایی، طوفانهای شن، جریانهای خروجی طوفانهای آذرخشی، بادهای پایین رونده آدیاباتیک، حرکت گدازه های آتشفشانی و جریانهای ثقلی شور یا کدر وارد شده به دریاچه ها، مخازن، دریاها و اقیانوسها، مثالهاییگوناگون و متنوع از جریانهای غلیظ در طبیعت می باشند .[8-1]
در توده های عظیم آب - مثل مخازن، دریاچه ها، دریاها و اقیانوسها - ، جریان ثقلی تحتانی بعد از غوطهوری، در زیر سطح آزاد و در امتداد شیب بستر شکل میگیرد - شکل . - 1 در سطح مشترک این جریان، به علت تفاوت دانسیته جریان با آب تمیز روی آن، گردابه هایی تشکیل می-گردند که منجر به ورود سیال محیطی به درون جریان ثقلی میشوند.
پرشهای هیدرولیکی در جریانهای دانسیته معمولا تحت تاثیر موانع موجود در پایین دست - همانند بالا آمدگی بستر و یا تنگ شدگی مقطع - و همچنین تحت تاثیر کاهش شیب - مانند شکستگی شیب در محل تماس دره های زیردریایی با دشتهای رسوبی - رخ می دهند .[11-9] اصطلاحا به این گونه از پرشها، پرشهای دانسیته - پرشهای چگال - نیز می گویند. درک دقیق پرشهای دانسیته می تواند نقش بسیار مهمی در شناخت توسعه جریان، تکامل مدلهای عددی، بهبود کیفی آب و همچنین مدیریت ته نشینی و فرسایش رسوبات داشته باشد.
هاگ و وودس اثرات درگ تحتاتی بستر بر جریانهای چگال دو بعدی را مطالعه نمودند. در این مطالعه هیچگونه پرشی ایجاد نشد و فقط اثرات اصطکاکی بستر مورد تاکید و بررسی قرار گرفت .[14] کاستیک و پارکر در سال 2006، رفتار جریان کدر در نزدیکی محل شکستگی شیب بستر را به صورت عددی شبیه سازی نمودند. مطابق با مدل ایشان، هرچه زبری بستر بیشتر گردد، طول پرش کوتاهتر شده و به بالادست منتقل خواهد شد .[15]
کوبو اثرات توپوگرافی بستر بر روی خصوصیات جریان کدر را به صورت عددی و آزمایشگاهی مورد تحقیق قرار داد. ایشان نشان داد که علاوه بر توپوگرافی بستر، پرش داخلی می تواند در افزایش ته نشستهای جریان، تاثیر بسزایی داشته باشد .[16] لارکا و همکاران در سال 2008 رفتار یک جریان دانسیته شور را بدون اینکه پرشی انجام دهد بر روی بستر زبر به صورت عددی و آزمایشگاهی مطالعه نمودند. بنابر نظر ایشان رفتار جریان عبوری از روی بستر زبر کاملا غیر معمول است. به طوریکه سرعت هد ابتدا زیاد شده و بعد از طی مسافتی، سرعت هد جریان دوباره کاهش می یابد .[17]
برهمند و شمسایی - 2010 - با استفاده از مجموعه ای از آزمایشات که بر روی جریانهای چگال شور انجام دادند و همچنین با بهره گیری از آنالیز تحلیلی، معادله ساده و کاربردی ذیل را جهت تخمین نسبت عمقهای مزدوج پرش چگال ارائه دادند. لازم به توجه است که در این معادله نسبت عمقهای مزدوج پرش علاوه بر عدد فرود چگالی مقطع ابتدایی پرش متاثر از اختلاط سیال محیطی با جریان غلیظ - در ناحیه پرش - و همچنین متاثر از زبری بستر نیز می باشد .[18]
همانطور که ذکر گردید رفتار جریان چگال توسط محققان متعددی به صورت عددی، شبیه سازی شده است. اما در مدلهای یک بعدی همیشه از معادله شبه کلاسیک - 1 - جهت تخمین عمق ثانویه پرش چگال استفاده شده است ]مانند مرجع .[12 همچنین در اینگونه از مدلها اثر زبری بستر بر مشخصات پرش دانسیته به خوبی شناخته نشده است.
بنابراین در این مقاله با استفاده از معادلات متوسط لایه ای و یک بعدی ناویر- استوکس و همچنین معادله پیشنهادی برهمند و شمسایی - 2010 - اقدام به شبیه سازی یک بعدی جریان چگال شور نموده و موقعیت تشکیل پرش هیدرولیکی با توجه به تغییر زبری بستر و همچنین تغییر شیب قسمت ابتدایی بستر، مورد بررسی قرار می گیرد.
-2 مواد و روشها
در این مقاله از یک مدل سه معادله ای متوسط- لایه ای جهت شبیه سازی رفتار جریان چگال در وضعیت دائمی و پایدار استفاده شده است. لازم به ذکر است که این جریان از روی بستری که شامل یک ناپیوستگی در شیب می باشد عبور می کند. بنابراین احتمال تشکیل پرش هیدرولیکی چگال وجود خواهد داشت. در طبیعت این ناپیوستگی شیب همانند سیستم دره زیر دریایی- دشت رسوبی می باشد. فرضیات مورد استفاده در این سه معادله عبارتند از:
1. در مورد جریان چگال شبیه سازی شده، اختلاف دانسیته تنها به علت تفاوت غلظت مواد محلول ایجاد شده است. در این نوع از جریانها، شار شناوری در طی حرکت، ثابت باقی می ماند.
2. جریان چگال در حالت دائمی برقرار است.
.3 عمق سیال محیطی H خیلی بزرگتر از عمق جریان دانسیته h است . H h2 لذا هیچگونه سیرکولاسیون و جریان برگشتی در سیال محیطی بوجود نمی آید.
4. سیال محیطی، همگن و ساکن بوده و خود دارای هیچگونه لایهبندی نیست. همچنین سطح آزاد آن، افقی است.
5. تغییرات خصوصیات جریان چگال در جهت عرض کانال ناچیز فرض می شود.
6. سیال محیطی و سیال غلیظ، هر دو غیر قابل تراکم هستند.
7. مقدار غلظتها به قدری کوچک است که می توان سیال را نیوتنی فرض کرد.
