بخشی از مقاله
چکیده :
در این تحقیق از نرم افزار SSIIM.2 برای شبیه سازی پدیده آبشستگی در اطراف پایه پل استفاده گردیده است . در نرم افزار SSIIM.2 میدان جریان در اطراف پایه پل استوانهای شکل، با استفاده از حل سه بعدی معادلات ناویراستوکس و مدل آشفتگی k- بدست آمده و سپس با استفاده حل غیردائمی میدان رسوب و معادله پیوستگی، تغییرات تراز کف در اطراف پایه محاسبه می شود .
نتایج پیش بینی مدل عددی با داده های اندازه گیری شده صحرایی پایه پل راه آهن تنگ هفت واقع در کیلومتر 554 محور جنوب راه آهن ایران مقایسه گردید . با توجه به نتایج حاصله مدل عددی با کمتر از سه درصد خطا ماکزیمم عمق آبشستگی را محاسبه می نمائید .
-1 مقدمه
آبشستگی به فرمهای مختلف، پایداری سازه های هیدرولیکی را مورد تهدید قرار می دهد و هر ساله پل های زیادی در سراسر دنیا در اثر عوامل هیدرولیکی و آبشستگی دچار آسیبهای جدی و یا تخریب می گردند . از جمله روش های مقابله با آبشستگی موضعی می توان به قرار دادن پی پایه پل در عمقی بیش از عمق آبشستگی - متناظر با سیل طرح - اشاره نمود .
هر چند، در نظر گرفتن سیلاب طرح با دوره بازگشت زیاد برای محاسبه عمق آبشستگی در جهت اطمینان است، لیکن این کار توجیه اقتصادی نخواهد داشت. از سوی دیگر پیش بینی عمق آبشستگی تعادلی براساس دبی سیل طراحی و بوسیله یک رابطه مستقل از زمان صورت می پذیرد و این در حالی است که افزایش عمق آبشستگی پدیده ای است که با زمان رابطه مستقیم دارد به گونه ای که در ابتدا آهنگ آبشستگی بالا بوده ولی با گذشت زمان و نزدیک شدن به عمق متعادل از سرعت توسعه آن کم گردیده و نهایتاً متوقف می شود
منطقه جریان سه بعدی اطراف پایه پل به دلیل تفکیک و پیدایش گردابه های مختلف بسیار پیچیده است . پیچیدگی میدان جریان به خاطر فعل و انفعال دینامیکی بین جریان و مرز متحرک در طول توسعه حفره آبشستگی بیشتر نیز خواهد شد . جریان هم آغازکننده و هم کنترل کننده الگوی آبشستگی موضعی اطراف پایه پل است که با فعل و انفعال پیوسته بر جریان تاثیر می گذارد
پیشگویی دقیق الگوی آبشستگی در اطراف پایه پل قویاً وابسته به حل مجدد ساختار جریان و مکانیزم انتقال رسوبات در داخل و خارج حفره آبشستگی توسعه حفره آبشستگی است .
تعداد زیاد پارامترهای موثر بر پدیده آبشستگی بر پیچیدگی آن می افزاید از این رو نیاز به یک مدل عددی توانمند که با استفاده از گسسته سازی معادلات حاکم بر میدان جریان و رسوب و اعمال یک سری فرضیات ساده کننده، روابط پیچیده حاکم بر این پدیده را به معادلات ساده و قابل حل تبدیل نماید، به طور جدی احساس می شود. از سوی دیگر در نظر گرفتن پارامتر زمان در طول فرایند آبشستگی همواره مدنظر محققان بوده ولی با توجه به اینکه در نظر گرفتن زمان در این رویداد مخرب بر جنبه های پیچیده قضیه می افزاید، نیاز به بررسی و تحقیق بیشتر و جامع تری در این رابطه می باشد . کد عددی سه بعدی SSIIM می تواند پاسخگوی بسیاری از نیازهای در زمینه های مختلف هیدرولیکی از جمله آبشستگی در اطراف پایه پل ها باشد، خصوصا" این که این کد عددی قابلیت در نظر گرفتن زمان را در طول فرایند آبشستگی را نیز دارد
شکل: 1 آبشستگی موضعی در اطراف پایه پل راه آهن تنگ هفت با حداقل دبی
طیب زاده و همکاران - - 1384 جهت اندازه گیری عمق آبشستگی متعادل اطراف پایه های پل با مقطع دایره ای از مدل عددی SSIIM استفاده نمودند . نتایج مطالعات آنها بیانگر دقت بسیار بالای مدل عددی SSIIM در محاسبه عمق آبشستگی در شرایط جریان غیردائمی بود
امروزه کاربرد مدل های عددی در زمینه های مهندسی بسیار رایج گشته اند . از این رو از آنها در کارهای مهندسی رودخانه نیز به طور گسترده ای استفاده می شود . مدل های عددی سه بعدی به دلیل در نظر گرفتن جریان های ثانویه ناشی از برخورد جریان آب به پایه پل در این میان از جایگاه ویژه ای برخودار هستند این در حالی است که مدل های یک بعدی و دوبعدی فاقد چنین توانایی می باشند
دراین مقاله پس از معرفی مدل عددی SSIIM ، کانتورهای تغییرات بستر به کمک مدل عددی SSIIM، شبیه سازی شده است . نتایج مدل عددی با اطلاعات آزمایشگاهی و اطلاعات صحرایی پایه پل منطقه مورد مطالعه مقایسه گردیده و نتایج مقایسه نشان می دهد که با دقت نسبتاً بالایی می توان از این مدل در شبیه سازی آبشستگی و تخمین حداکثر عمق آبشستگی اطراف پایه های پل استفاده کرد .
- 2 معرفی منطقه مورد مطالعه
- 1 - 2 پل تنگ هفت
پل مورد مطالعه در کیلومتر 557 محور جنوب راه آهن، در ناحیه راه آهن لرستان، حد فاصل بین ایستگاههای دورود - اندیمشک و در فاصله 3 کیلومتری ایستگاه تنگ هفت بر رودخانه پرآب سزار قرار دارد . پایه جناح چپ آن مشکل آبشستگی دارد با گذشت بیش از هفتاد سال از عمر این همچنان این پل همچنان در راه آهن مورد استفاده قرار می گیرد
- 2 - 2 رودخانه سزار
این رودخانه از نوع دائمی است،ایستگاههای هیدرومتری در بالادست و پایین دست این منطقه به ترتیب ایستگاه هیدرومتری سپیددشت و ایستگاه هیدرومتری تنگ پنچ می باشد .رودخانه سزار از گرد آمدن آب های الیگودرز و بروجرد در منطقه دورود تشکیل می شود و از تلاقی دو رود به نام تیره و ماربره بوجود می آید . این رودخانه از روزگار باستان حد فاصل لر کوچک و لر بزرگ بوده است هم اینکه نیز همین نظم از نظر اجتماعی و فرهنگی وجود دارد .
- 3 - 2 معرفی داده های منطقه مورد مطالعه
جدول : 1 معرفی داده های منطقه مورد مطالعه
حداقل دبی - m3 / s - حداکثر دبی - m3 / s - دبی دوره ای - m3 / s - قطر پایه - m - عمق چاله فرسایشی - - m
-3معرّفی مدل عددی SSIIM
مدل SSIIM یک نرم افزار سه بعدی جهت شبیه سازی حرکت آب و رسوب بوده و توسط اولسن5 در دانشکده 6 مهندسی هیدرولیک و محیط زیست دانشگاه علوم و تکنولوژی نروژ توسعه یافت .
این مدل سه بعدی بر مبنای روش حجم محدود بوده و معادلات ناویر- استوکس7 را بر مبنای مدل آشفتگی k- استاندارد حل می کند
البته این مدل قابلیت استفاده از دیگر مدل های آشفتگی را نیز دارد که توسط کاربرقابل انتخاب است .زمینه استفاده از آن در مهندسی رودخانه، محیط زیست، هیدرولیک و رسوب می باشد .بعدها استفاده از این برنامه در سایر موضوعات هیدرولیکی نظیر مدل کردن سرریزها، افت درتونل ها، رابطه عمق و دبی در رودخانه ها و ... نیز توسعه یافت .مزیت اصلی مدل SSIIM در مقایسه با سایر برنامه های محاسبات دینامیک سیالات توانایی مدل کردن انتقال رسوب در بستر متحرک در هندسه های پیچیده است .در سالیان اخیر از این مدل عددی در محاسبات کیفیت آب نیز استفاده شده است
برنامه SSIIM معادلات ناویر - استوکس را با مدل k- استاند ارد برروی یک شبکه سه بعدی نامتعامد حل می کند. برای منفصل سازی نیز از روش حجم کنترل به همراه الگوریتم توانی یا الگوریتم جهتمند مرتبه دوم استفاده می شود . روش سیمپل8 جهت ارتباط ترم فشار و سرعت به کار می رود . با استفاده از یک روش حل ضمنی میدان سرعت در هندسه محاسبه شده و با حل معادله ی پیوستگی رسوب به محاسبه ی تغییرات بستر می پردازد . [ 6 ] روند محاسبات میدان جریان و رسوب در مدل عددی SSIIM در بخش های1 - 3 تا 3 - 3 به صورت زیر است.
- 1 - 3 معادلات حاکم بر جریان
در این نرم افزار معادلات حاکم بر میدان جریان معادلات ناویر استوکس می باشند که جهت حل آن از مدل آشفتگی k- استفاده می شود . به علاوه کد عددی SSIIM قابلیت استفاده از مدلهای آشفتگی مختلف را نیز دارد . به هر حال معادلات ناویر استوکس برای سیالات تراکم ناپذیر با چگالی ثابت در حالت برداری به فرم زیر می باشند .
که در رابطه فوق ترم اول سمت چپ ترم گذرا - تغییرات زمانی - و ترم بعدی ترم جابجایی می باشد . اولین ترم سمت راست ترم فشار و بعدی ترم مربوط به تنش رینولدز است . جهت ارزیابی ترم اخیر به یک مدل آشفتگی نیاز می باشد . جهت انفصال - گسسته سازی - از روش حجم محدود با استفاده از قاعده توانی یا الگوریتم جهتمند مرتبه دوم استفاده می شود .
روش سیمپل نیز به عنوان پیش فرض جهت تصحیح فشار به کار می رود که البته نرم افزار قابلیت استفاده از الگوریتم سیمپلک9 را نیز داراست . به طور خلاصه می توان معادلات حاکم بر میدان جریان در حالت آشفته را معادله پیوستگی و معادله مونتوم دانست . اگر این فرض شود که جریان دائمی است و نوسانات جرم مخصوص صفر است معادلات مونتوم و پیوستگی به ترتیب به صورت زیر قابل بیان هستند .
