بخشی از مقاله
مطالعه عددی تغییرات تنش برشی بستر حول آبشکن شکل
چکیده
آبشکن ها سازه های آبی هستند که با انحراف جریان از ساحل فرسایش پذیر رودخانه و یا ایجاد مسیر مناسب برای هدایت جریان و بعضا برقراری عمق لازم برای اهداف کشتیرانی احداث می شوند. تله اندازی و ترسیب مواد رسوبی و استحصال اراضی حاشیه رودخانه از دیگر اهداف مورد نظر در احداث آبشکنها تلقی می گردند. با درنظر گرفتن این موارد عملکرد مناسب این سازه آبی از دید مهندسی رودخانه برای ایجاد یک کناره ثابت بسیار ارزشمند است. . در این مقاله با استفاده از مدل عددی سه بعدی نرم افزار Fluent و با استفاده از روش VOF و به کار گیری مدل آشفتگی RSM، به مطالعه عددی تاثیر تغييرات طول جان آبشکن، طول بال آبشکن و تغییر عدد فرود جریان بر تنش برشی بستر حول أبشکن T شکل ، پرداخته می شود.
واژه های کلیدی: آبشکن T شکل، مدل عددی، روش VOF، مدل RSM، تنش برشی بستر
مقدمه
آبشکن سازه ای است که با اصلاح الگوی جریان سبب کنترل فرسایش در سواحل به منظور اهداف مختلف می گردد، به نحوی که باعث کاهش سرعت جریان در نزدیک ساحل خارجی شده و همچنین باعث می شود جریانهای ثانویه مستقیما به ساحل برخورد نکنند و سبب رسوبگذاری در ساحل می شود. لذا شناخت الگوی جریان پیچیده شکل گرفته حول آبشکن از اهمیت خاصی برخوردار است. در ادامه چند نمونه از مطالعات آزمایشگاهی و عددی صورت گرفته بیان می گردد: احمد (۱۹۵۱) به بررسی آزمایشگاهی آلگوی جریان و الگوی آبشستگی در اطراف آبشکن های نفوذناپذیر و منفرد تحت زوایای مختلف پرداخت [۱]. زاغلول (۱۹۷۴) ضمن حل عددی معادلات متوسط گیری شده در عمق، رابطه ای را برای برآورد مقدار تنش برشی بستر ارائه نمود [۲]. راجاراتنام (۱۹۸۳) الگوی جریان و توزیع تنش برشی بستر حول تک آبشکن مستقیم را با استفاده از لوله پر ستون و سرعت سنج پیتوت برای مقادیر مختلف پیش آمدگی و اعداد فرود اندازه گیری نمود [۳]. ایشی؟ (۱۹۸۳) تاثیر پارامترهای بی بعد بر روی هندسه ناحیه جداشدگی در پایین دست آبشکن را مورد بررسی قرار داد [۴]. تینگسانچالی و همکاران (۱۹۹۰) الگوی جریان و تنش برشی حول آبشکن را در کانال مستقیم و با بستر صلب شبیه سازی نمودند [۵]. اویلن و دارتوس (۱۹۹۷) به شبیه سازی عددی سه بعدی یک جریان متلاطم، کم عمق، پایدار در اطراف یک آبشکن در یک کانال مستطیلی پرداختند [۶]. گیری" و همکارانش (۲۰۰۴) به بررسی آزمایشگاهی و عددی شبیه سازی جریان و آشفتگی در فلومی شبیه به رودخانه های مئاندری با وجود آبشکن های غیرمستغرق پرداختند [۷]. یاسی (۲۰۰۶) به بررسی تاثیر اصلاح نحوه پیش بینی تنش برشی بستر بر روی الگوی آبشستگی حول تک آبشکن مستقیم پرداخت [۸]. حسینی (۲۰۰۶) جریان حول تک آبشکن در قوس ۹۰ درجه را شبیه سازی نمود [۹] . کوکن و همکارانش (۲۰۰۸) به بررسی تاثیر بستر توسعه یافته بر روند شکل گیری جریانهای گردابه ای و نیز توزیع تنش برشی بستر پرداختند [۱۰]. فضلی (۲۰۰۸) تاثیر عدد فرود جریان بر آبشکن تیغه ای مستقر در قوس ۹۰ درجه را مورد مطالعه قرار داد [۱۱]. موسوی نائینی و همکاران (۲۰۰۸) به بررسی آزمایشگاهی تنش برشی و ناحیه جداشدگی حول آبشکن آ شکل در قوس ۹۰ درجه پرداختند [۱۲]. خسروی (۲۰۱۱) الگوی جریان و آبشستگی پیرامون آبشکن آ شکل مستغرق در قوس ۹۰ درجه را به صورت آزمایشگاهی مدل نمود [۱۳]. همان گونه که اشاره شد بحث استفاده از آبشکن های سرسپری تا کنون کمتر مورد توجه محققین قرار داشته است، لذا در این مقاله تأثير تغییر ابعاد آبشکن و عدد فرود جریان بر تنش برشی بستر حول آبشکن آ شکل مورد بررسی عددی قرار می گیرد.
مشخصات میدان حل، شبکه بندی و صحتسنجی مدل میدان حل عبارت است از کانال مستقیم با بستر صلب و مقطع مستطیلی به طول ۱۲ متر وعرض ۰/۹ متر، یک آبشکن سرسپری با طول جان ۰ / ۱۵۲ متر و طول بال ۰ / ۱۵۲ متر و به ضخامت ۰ / ۰۰۳ متر به صورت قائم و در موقعیت ۲ متری از ورودی کانال مدل گردیده است. شکل (۱) پلان و مشخصات هندسی فلوم همراه با آبشکن را نشان میدهد. مشخصات هیدرولیکی میدان جریان در جدول (۱) ارائه شده است . با توجه به اعداد فرود و رینولدز، جریان حالت آشفته و زیر بحرانی می باشد.
در شکل (۲) شمایی از شبکه بندی تولید شده نشان داده شده است. قسمتهایی که سیاه پر رنگ نشان داده شده بیانگر تراكم شبکه در این نواحی می باشد. این تمركز شبکه موجب می شود تا گرادیان ها به درستی تسخیر گردد و مخصوصا از دیواره های صلب به درون میدان نفوذ کند.همچنین در جدول (۲) مشخصات شبکه مطلوب تولید شده ارائه شده است.
ضمنا از شرط مرزی تقارن در سطح آزاد و شرط مرزی ورودی سرعت در ورودی کانال و شرط مرزی خروجی فشار"در خروجی کانال و شرط مرزی دیواره برای دیواره های صلب استفاده شده است. به منظور اعتبارسنجی نتایج حاصل از حل عددی صورت گرفته با استفاده از نرم افزار Fluent و به کارگیری روش VOF و مدل آشفتگی RSM، این نتایج با نتایج کار آزمایشگاهی انجام شده توسط ناواچو کو ۱۳ در یک کانال مستقیم که مشخصات آن در جدول (۳) ارائه شده است، مقایسه و بازخوردهای مورد نیاز به مراحل پیش پردازش و پردازش اعمال گردید [۱۸]. همچنین، استقلال نتایج حل عددی از شبکه محاسباتی به عنوان معیار دیگری جهت اعتبارسنجی بررسی گردیده است.
در شکل (۳) نتایج حاصل از حل عددی با مقادیر اندازه گیری شده آزمایشگاهی مقایسه گردیده است. این شکل ها پروفیل های سرعت ( u / um) را در امتداد طولی کانال در محدوده اطراف آبشکن (از ۹۲/ متر تا ۳ متر)، و در موقعیتهای متفاوت فاصله از ساحل و طول آبشکن)، در دو روش عددی و آزمایشگاهی، نشان داده است.
درصد خطاهای بدست آمده (۲/ ۵ درصد برای ۳ =y/ a و ۵ / ۳۱ درصد برای ۴= y / a ) و مقایسه نتایج حل عددی با نتایج آزمایشگاهی، نشان دهنده دقت خوب و قابل قبول مدل ارائه شده در پیش بینی میدان جریان می باشد.
بررسی تغییرات تنش برشی بستر در این مقاله توزیع تنش برشی بستر ناشی از تغییرات طول جان آبشکن، طول بال آبشکن و عدد فرود جریان بررسی می گردد. بررسی توزیع تنش برشی حول أبشکن سرسپری در حالت بستر صلب، می تواند تا حد زیادی به درک كیفی از الگوی فرسایش و رسوبگذاری در حالت بستر متحرک، منجر شود. هر چند بررسی دقیق تغییرات تراز بستر نیاز به مدلسازی در حالت بستر متحرک دارد تا اندرکنش فاز رسوب و سیال همزمان مدلسازی شود، ولی این نتایج نیز برای لحظات اولیه آبشستگی معتبر است. شکل (۴) تنش برشی بستر را در حالت سه بعدی و دو بعدی نمایش می دهد، همانگونه که مشخص شده است، مقدار تنش برشی روی لبه بال آبشکن در بالادست بیشینه مقدار را داراست و همچنین تنش برشی بستر در ناحیه تنگ شدگی مقطع به سمت پایین دست، با افزایش نسبی همراه است. بنابراین در طراحی آبشکن ها باید تمهیداتی جهت حفاظت از بال آبشکن در برابر فرسایش لحاظ نمود.
همچنین تنش برشی در نواحی اطراف محل کمینه تنشهای برشی در بالادست و پایین دست آبشکن، با افزایش نسبی همراه است، در اثر شکل گیری گردابه های برخاستی در نواحی کمینه تنش برشی، نرخ جریان عبوری دقیقا در محل شکل گیری این گردابه ها نسبت به جریان اصلی کاهش می یابد در نتیجه این ناحیه همچون مانعی که باعث کاهش سطح مقطع جریان عبوری می شود عمل کرده و با توجه به پیوستگی جریان، سرعت در نواحی اطراف گردابه ها افزایش می یابد که می تواند عامل افزایش نسبی تنش برشی در این نواحی گردد.
بررسی تاثیر تغییر طول جان آبشکن بر تنش برشی بستر حول آبشکن Tشکل در این بخش تأثیر طول جان آبشکن بر روی تنش برشی بستر با طول جان های متفاوت ( ۰ / ۱۵۲، ۰ / ۱۹ و ۰ / ۲۲۸ متر و طول بال
