بخشی از مقاله
خلاصه
مقاله حاضر بهدنبال یافتن راه حل تحلیلی برای پیشبینی توزیع عرضی سرعت متوسط در عمق در کانالهای مرکب با سیلابدشتهای همگرا است. روشهایی که تاکنون پیشنهاد شدهاند برای کانالهای مرکب منشوری کاربرد داشته و بهدلیل مدل سازی ضعیف جریانهای ثانویه و اندرکنش جریانها در فصل مشترک بین کانال اصلی و سیلابدشتها نتایج دقیقی نمیدهند.
از جمله دلایل شکلگیری جریان ثانویه، تعییر شکل هندسه کانال و آشفتگی جریان است. در تحقیق حاضر سعی شده تا هردو عامل بهصورت جدا در معادله وارد و تأثیر آن بر توزیع عرضی سرعت متوسط عمقی بررسی شود، همچنین تأثیر بعضی از پارامترها مورد توجه قرار گرفته است. نتایج روش پیشنهادی تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد.
1. مقدمه
رودخانهها نقش بسیار مهمی در زندگی بشر ایفا میکنند. انسانها همواره برای رفع نیازهای خود مانند کشاورزی، حمل و نقل و ... از رودخانهها و سواحل اطراف آن بهره میگیرند. از جمله وظایف مهندسین رودخانه، تأمین شرایطی است که بشر بتواند در فضایی امن از رودخانهها در جهت تأمین نیازهای خود استفاده کند. رودخانهها همانطور که زندگی میبخشند، میتوانند خسارت مالی و جانی زیادی به انسانهایی که در اطراف آنها زندگی میکنند وارد کنند؛ بنابراین بررسی وضعیت جریان در حالت سیلابی از جمله وظایف مهندسین رودخانه محسوب میشود.
مقطع عرضی رودخانهها معمولاً دارای شکل ساده نبوده و صورت مقاطع مرکب میباشند که در مواقع سیلابی، آبی که بیشتر از ظرفیت رودخانه است وارد زمینهای اطراف - سیلابدشتها - میشود. رودخانه بهعنوان کانال اصلی و زمینهای اطراف آن بهعنوان سیلابدشتها در نظر گرفته میشوند. وقتی جریان، سیلابی در نظر گرفته میشود، بهدلیل وارد شدن جریان از کانال اصلی به سیلابدشتها، در فصل مشترک بین کانال اصلی و سیلابدشتها، جریان حالت سه بعدی پیچیدهای پیدا میکند که تحلیل آن را با دشواری همراه میسازد.
جریان در کانال اصلی دارای عمق و سرعت زیاد است در حالیکه در سیلابدشتها عمق و سرعت کمتری دارد. مجاورت و اندرکنش دو جریان با سرعتهای متفاوت باعث ایجاد یک لایه برش مرزی دراین ناحیه میشود. در نتیجه تشکیل این لایه برشی و تبادل اندازه حرکت بین جریان در کانال اصلی و سیلابدشتها، گردابهها و جریانهای ثانویه با محور عمودی و در جهت جریان تشکیل میشود.
بررسی جریانهای ثانویه بهدلیل تأثیری که بر هیدرولیک جریان دارند بسیار مهم است. جریانهای ثانویه در مقابل جریان پایه تأثیر زیادی ندارند اما تأثیر قابل توجهی بر مقاومت جریان دارند. پرانتل دو نوع از جریان ثانویه را تشخیص داده است که نوع اول آن به شرایط هندسی کانال و نوع دوم آن به ساختار آشفته جریان مربوط میشود.
گردابه ها و جریانهای ثانویه، مقدار زیادی از اندازه حرکت بین سیال را از کانال اصلی به سیلابدشتها انتقال میدهند. این انتقال اندازه حرکت در کانالهای مرکب با سیلابدشتهای غیرمنشوری بسیار حائز اهمیت است.
1-1 مطالعات سابق
روشهای برآورد ظرفیت انتقال که با فرض جریان یکبعدی توسعه یافتند به دو روش سنتی و اصلاحی تقسیم میشوند. ازجمله روشهای سنتی میتوان به روش مقطع واحد و روش مقطع تقسیم شده اشاره کرد. روشهای اصلاحی زیادی در فضای یکبعدی، شبه دوبعدی ودوبعدی گسترش یافتند که میتوان به روش تقسیم وزنی مقطع، روش کوهرنس، روش تبادل دبی اشاره کرد. ممکن است این روشها نسبت به روشهای سنتی دقت بیشتری داشته باشند اما هیچیک از آنها توانایی پیشبینی انتقال عرضی اندازه حرکت را ندارند.
شیونو و نایت - 1998 - برای مطالعه جریان یکنواخت در کانال مرکب منشوری، یک راه حل تحلیلی ارائه دادند. این حل تحلیلی براساس معادلات ناویه استوکس متوسطگیری شده در عمق بوده و برای بهدست آوردن سرعت متوسط در عمق مورد استفاده قرار گرفت.
در رابطه - 1 - ، ρ چگالی آب، g شتاب گرانش، H عمق آب، شیب کف کانال، f عامل اصطکاک دارسی ویسباخ، ud سرعت متوسط عمقی در جهت جریان، ویسکوزیته گردابی بدون بعد و s شیب دیواره کانال است.
شیونو و نایت - 1998 - ابتدا از جریان ثانویه صرف نظر کردند و مقدار آن را برابر صفر در نظر گرفتند.
نتایج سرعتهای متوسط عمقی بهدست آمده از این روش با دادههای آزمایشگاهی تطابق خوبی داشت اما توزیع تنش برشی مرزی نتایج قابل قبولی ارائه نداد. به همین دلیل مقدار جریان ثانویه را برابر یک مقدار ثابت در نظر گرفته و معادله را حل کردند.
مقدار برای سیلابدشتها و کانال اصلی متفاوت است. نتایج مدل SKM به مقدار ضرایب f، و بستگی دارد. نتایج بهدست آمده از این فرض تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی داشت.
روش SKM برای پیشبینی توزیع سرعت و تنش برشی در کانالهای مرکب منشوری، تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی داشت اما در کانال-های مرکب غیر منشوری بهدلیل غیریکنواخت بودن جریان، باید تغییراتی در معادله اعمال میشد. رضایی و نایت - 2009 - با اصلاح روش SKM توانستند به نتایج خوبی برای شبیه سازی جریان در کانالهای غیر منشوری با سیلابدشتهای واگرا دست پیدا کنند.
شکل–1 مقایسه بین نتایج SKM اصلاح شده و SKM معمولی و دادههای آزمایشگاهی برای کانال مرکب غیر منشوری سری ONPC6- - - 200، Q=181/S، - X=14 m
اروین و همکاران - 2000 - برای اینکه بتوانند تأثیر جریان ثانویه را بهطور مؤثرتری در معادله SKM وارد کنند فرضیاتی که در ادامه میآید در معادله قرار دادند.[
در اینجا k ضریب تجربی است که با توجه به شرایط هندسی و زبری مرزی تغییر میکند. ترم شرایط پیچیده سهبعدی را توصیف میکند. بنابراین میتوان معادله - 1 - را بهصورت زیر بازنویسی کرد:
سپس با این شرایط معادله را حل کرد. اروین و همکارانش اظهار داشتند که این مدل برای کانالهای مارپیچی - پیچانرود - نیز کاربرد دارد و اگر مقدار k بهدرستی و بهصورت مناسب انتخاب شود میتواند نتایج دقیقی بهدست دهد. نتایج بهدست آمده برای توزیع عرضی سرعت متوسط عمقی و تنش برشی تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی داشت.
شکل-2 مقایسه بین نتایج آزمایشگاهی و تحلیلی توزیع عرضی سرعت متوسط عمقی در خم - SERC-series
شیونو و اسپونر - 2003 - اظهار داشتند که روش اروین و همکاران - 2000 - برای کانالهای مارپیچی نادرست است زیرا از تئوری کانالهای مستقیم استفاده کرده است. بنابراین روش جایگزین برای کانالهای مارپیچی پیشنهاد دادند.
