بخشی از مقاله
خلاصه
سازه حفاظت ساحلی شیبدار پلهای بر اساس آزمایشهای صورت گرفته در فلوم موج کوچک واحد علوم و تحقیقات به عنوان یک سازه موثر در کاهش بالاروی و روگذری موج عمل میکند. در ادامه نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی روش قدرتمندی جهت تکرار نتایج آزمایشگاهی فراهم مینماید. برای انجام این پژوهش از نرم افزار حجم محدود FLOW3D استفاده شده است که میتواند یکی از قویترین نرم افزارها در زمینه سیالات باشد. نتایج نشان میدهد که بیشترین میزان بالاروی موج وقتی است که تعداد پلهها بیشتر باشد.
البته پاشش موج هم میتواند در نتایج تاثیرگذار باشد. بنابراین میتوان گفت که با افزایش تعداد پلهها به طور قطع میزان بالاروی افزایش مییابد. همچنین از عدد فرود به عنوان یک پارامتر بیبعد برای معیار جریان زیر بحرانی و فوق بحرانی استفاده شده است. مقادیر عدد فرود کمتر از یک حالت زیر بحرانی و مقادیر بالاتر از یک حالت فوق بحرانی را میرساند.
مقدمه
مسائل مهندسی از جمله سیستم های دینامیک سیالات مانند جریان و موج، می تواند در طبیعت شکل بسیار پیچیده ای به خود بگیرد. از این رو برای تحلیل آن ها باید به مدل های دقیقی دست یافت. این مدل ها باید شرایط و ویژگی های مهم سیستم را دربر داشته باشند. اما در این میان لازم به ذکر است تعیین فرمول های حاکم به تنهایی کافی نیست. چالش اصلی در چگونگی حل آنهاست. اکثر پدیده های حاکم در طبیعت، به وسیله معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی بیان می شوند که به ندرت می توان آنها را به طور تحلیلی حل نمود. یکی از این پدیده ها، پدیده جریان با سطح آزاد1 است که امواج آب نمونه ای از آن می باشد .[1]
امواج آب از جمله با اهمیت ترین جریان ها در علم هیدرولیک است که در اثر اعمال نیروهای خارجی مانند نیروی باد یا سقوط سنگ روی آب در سیال به وجود می آید. جریان ناشی از شکست سد، شکست امواج ناشی از سونامی در سواحل و سرریز موج از سازه های ساحلی از جمله پدیده های مهم مرتبط با جریان امواج آب می باشند که می توانند باعث وارد آوردن خسارت های زیادی شوند .[2]
پارامترهای مهم برای توصیف امواج، طول و ارتفاع آن ها و عمق آب است. همه پارامترهای دیگر مانند مقادیر سرعت و شتاب ایجاد شده در آب در اثر امواج می توانند با استفاده از تئوری از روی این مقادیر بدست آیند. طول موج - L - ، فاصله افقی بین دو تاج موج متوالی - نقاط مرتفع روی موج - و یا به طور معادل فاصله بین دو قعر موج می باشد. طول موج با عمق آب - h - و دوره تناوب - T - رابطه دارد.
دوره تناوب موج - T - مدت زمان مورد نیاز برای عبور دو تاج موج با دو قعر موج متوالی از یک نقطه مشخص است، بنابراین چون موج فاصله L را باید در زمان T طی کند، لذا سرعت موج به صورت تعریف می شود. در حالی که شکل موج با سرعت C حرکت می کند، آبی که موج را شامل می شود، در جهت موج منتقل نمی شود .[4]
دیوارهای ساحلی، سازه هایی هستند که به موازات و نزدیک خط ساحلی برای حفاظت از ساحل مورد استفاده قرار می گیرند. لذا می توان گفت دیوارهای ساحلی به منظور حفاظت از ورود آب به سواحل و به منظور بکارگیری مناسب از زمین های ساحلی طراحی و ساخته می شوند 3] و .[4 به منظور طراحی بهینه، در مهندسی سواحل بایستی اطلاعات مناسبی از بارهای وارد و رفتار سازه های ساحلی در برای این بارها داشت.
مهم ترین بارهای وارد بر دیوارهای ساحلی، امواج دریا هستند که مسلما در حالت طوفانی شدت آن بیشتر خواهد بود. پارامترهای اصلی هیدرودینامیکی موج شامل ارتفاع، پریود و طول موج می باشند. با توجه به رفتار تصادفی موج، نمی توان رفتار سازه های ساحلی را فقط با تکیه بر تئوری های موجود به طور دقیق تعیین نمود، بلکه استفاده از مطالعات آزمایشگاهی و همچنین استفاده از نرم افزارهای معتبر حائز اهمیت است. در طراحی دیوارهای ساحلی با توجه به این که لنگر پای موج شکن، یکی از تأثیرگذارترین عوامل طراحی است، لذا تعیین آن به هنگام تابش امواج تصادفی، کمک شایانی به طراحی می کند .[5]
به طور کلی، بکارگیری دیوارهای ساحلی شکل پذیر، در بیشتر موارد نسبت به دیوارهای ساحلی سنتی اولویت دارند، زیرا در این نوع از دیوارها به دلیل مجاز بودن تغییر شکل سازه می توان از مصالح سبک تر و محدوده وسیع تری از دانه بندی استفاده کرد. از این رو می توان برای احداث آنها از همه مصالح خروجی قرضه استفاده کرد. همچنین برای اجرای این نوع سازه ها می توان از روش های ساده تر و ابزارآلات سبک تر و در دسترس تر بهره برد. با وجود مزایا و برتری های دیوارهای ساحلی شکل پذیر، که نسل جدید دیوارهای ساحلی هستند، درباره روند طراحی و عملکرد هیدرولیکی این دیوارها اطلاعات زیادی موجود نیست 6] و .[7
به طور کلی، عوامل حاکم در طراحی دیوارهای ساحلی به سه دسته کلی تقسیم می شوند :[8]
- عوامل محیطی - مربوط به موج -
- عوامل هیدرولیکی
- عوامل سازه ای
در این مقاله به روش تحقیق عددی اشاره می شود و سپس نرمافزار مهندسی که توانایی انجام تحلیل در حوزه هیدرولیک را دارد معرفی میشود و در ادامه به بیان روش VOF و ساز و کار نرمافزار FLOW-3D اشاره میشود.
مواد و روشها
در این بخش ابتدا به بیان روش حل مسائل براساس معادله های پیوستگی و مومنتوم پرداخته میشود. روش حل عددی بسط داده میشود و در نهایت به معرفی نرمافزار FLOW-3D و روشهای مرسوم حل این نرمافزار پرداخته میشود.
معادلات کلی حاکم بر جریان
با پیشرفتهائی که در سالهای اخیر در زمینه استفاده از رایانه در مهندسی عمران صورت گرفته است امروزه در کنار استفاده از روشهای تجربی و آزمایشگاهی و مدلهای فیزیکی، میتوان از مدلهای عددی استفاده نمود. برای مثال امروزه میتوان با استفاده از رایانه، پدیدههای پیچیدهای مانند جریانهای غیر دائمی و غیر یکنواخت، انتقال رسوب، توزیع آلودگی و ... را مدلسازی و تحلیل نمود.
اگر چه تئوریهای مدلهای فوق از یک مسئله به مسئله دیگر کاملاً متفاوت هستند، اما در همه مسائل مهندسی سیالات یک مسئله مشترک و مهم وجود دارد، که عبارت است از توزیع آشفتگی در جریان و اثرات آن در توزیع و انتقال جرم، حرارت و مومنتوم، زیرا تقریباً همه جریانهای مطرح در مهندسی جریانهای آشفته هستند. امروزه در بسیاری از مسائل مهندسی نتایج تحلیل مدلهای عددی با نتایج واقعی و آزمایشگاهی مقایسه شده و توانائی و کارآیی این مدلها در حوزه های مختلف به اثبات رسیده است .[9]
معادله پیوستگی
معادله پیوستگی جریان از قانون بقای جرم و با نوشتن معادله تعادل جرم برای یک المان سیال بدست میآید. بصورت کلی این معادله به شکل زیر نوشته میشود:
- 1 - که VF نسبت حجم سیال عبوری از یک المان به حجم کل المان و دانسیته سیال است. مولفههای سرعت - u,v,w - در جهات - x,y,z - هستند. Ax نسبت مساحت سیال عبوری از یک المان به مساحت کل المان در جهت x است، Az و Ay به طور مشابه سطوح جریان در جهات z و y هستند. R و مربوط به نوع سیستم مختصات بوده در مختصات کارتزین R=1 و میباشد - شجاعی فر و همکاران، . - 1390
معادله مومنتوم
در معادلات حرکت ناویر استوکس، معادلات مومنتوم حاکم بر جریان سیالات نیوتنی لزج مدنظر میباشد. برای یک سیال لزج نیوتنی و در راستای یک خط جریان، میزان تغییر مومنتوم واحد جرم سیال مساوی شتاب جریان و مساوی نیرو در واحد جرم آن سیال میباشد. در جریانهای غیر لزج هیچ تنش برشی از نوع وجود ندارد که به آن معادلات اویلر گفته میشود.
بنابراین معادلات حرکت ناویر استوکس سیال با مولفههای سرعت - u,v,w - در مختصات سه بعدی به صورت رابطه 2-3 تا 4-3 نمایش داده میشود .[9] در این معادلات - Gx و G y و - Gz ترمهای شتاب جرم در جهات مختصاتی z,y,x و - f x و f y و - f z ترمهای شتاب ویسکوز در این جهات میباشند. همچنین جملات بیانگر تغییرات زمانی برای یک نقطه مشخص در فضا میباشند. جملات نیز اصطلاحا جمله شتاب جابجایی نامیده میشود.
