بخشی از مقاله
-1 مقدمه
رسوبگذاري یک مشکل همیشگی در بنادر رودخانههاي جزر و مدي و نیز در خورها بوده است. هزینههاي بالاي لایروبی سبب شده است که مطالعات زیادي جهت بررسی فرآیندهایی که در رسوبگذاري بندر نقش دارند، انجام شده و روشها و مدلهاي گوناگونی براي کمی کردن نرخ رسوبگذاري و ارائه راهحلهایی جهت کاهش آن پیشنهاد شود.
اختلاف چگالی در طول ورودي بندر، یک نیروي محرك براي جریانهاي چگال به داخل بندر است. جهت رفع این مشکل و نیز تأمین امنیت ناوبري، عملیات لایروبی بایستی بهطور مداوم صورت گیرد. لذا میتوان بهجاي خروج مواد رسوبی از بندر، ترجیحاً از ورود رسوبات در همان ابتدا جلوگیري کرد.در این تحقیق تاثیر دیوار انحراف جریان - شکل - 1 بعنوان سازه جلوگیري کننده از ورود رسوبات به بندر تحت شرایط جزر و مدي مورد نظر می باشد.
شکل - 1 دیوار انحراف جریان و اجزاي آن
این سازه اولین بار توسط آقاي هرمان کریستیانسن اختراع شد و به ثبت رسید .[1] تحقیقات نشان داده است که با احداث این دیواره نرخ رسوبگذاري در ورودي حوضچه بندر به میزان قابل توجهی کاهش مییابد Hofland .[2] و همکاران - 2001 - عملکرد CDW و تأثیر آن بر تبادل جریان و به دنبال آن کاهش رسوبگذاري را در شرایطی که اختلاف چگالی نیز وجود دارد، به صورت آزمایشگاهی بررسی کردند
مطالعه روي مدل فیزیکی بندر Parkhafen در هامبورگ آلمان براي یافتن بهترین پیکربندي از CDW، از جمله تحقیقات دیگر گزارششده در این زمینه است .[4] با توجه به آزمایشات مدل هیدرولیکی Kuijper، یک دیوار انحراف جریان دوقسمتی که با یک فاصله - گپ - از هم جدا شدهاند و شکلی شبیه بال هواپیما دارد، به عنوان مناسبترین طرح که از جدایی جریان جلوگیري میکند و موجب تشکیل گردابه آزاد میشود، مورد توجه قرار گرفت .[4] بررسی عملکرد CDW همچنین به صورت عددي توسط Stoschek و همکاران [5]، Ditschke و همکاران [6] انجام شده است.
-2 شرح مدل فیزیکی و شرایط مرزي
مدل عددي حاضر بر اساس مدل فیزیکی سیستم جزر و مدي راه آبی روتردام و بندر بوتلک - Botlek - آماده گردید. این مدل فیزیکی در دانشگاه صنعتی دلفت در کشور هلند ساخته شد .[7] راه آبی روتردام، در نزدیکی بندر بوتلک، داراي عرضی حدود 600 متر و عمق 15 متر میباشد. براي ساخت مدل فیزیکی، عمق میانگین آب در فلوم برابر با 0/2 متر قرار داده شد که این موضوع منجر به تولید مقیاس طول برابر با 600، مقیاس عمق برابر با 75، مقیاس سرعت برابر با 8/66، و مقیاس زمان برابر با 69/3 گردید. در نتیجه پریود مدل براي یک جزر و مد روزانه برابر با 650 ثانیه میباشد. بندر بوتلک داراي سطحی برابر با 3/5 کیلومتر مربع میباشد که در نتیجه مساحت مدل برابر با 10 متر مربع خواهد بود. هندسه مدل در شکل -2 - الف - نشان داده شده است.
شکل - 2 الف- هندسه مدل فیزیکی بندر جزر و مدي بوتلک و ب- شرایط مرزي جریان
جریان در فلوم با معرفی یک تراز سطح آب سینوسی با دامنه 0/025 متر در محل گذر از دریا به فلوم تولید شد. سرعت ماکزیمم جریان جزر و مدي در حدود 0/20 متر بر ثانیه بود. شکل -2 - ب - دبی و تراز جزر و مدي در فلوم در مقابل بندر را در طول یک سیکل جزر و مدي نشان میدهد. همانگونه که مشاهده میشود اختلاف فازي در حدود 60 ثانیه بین دبی در فلوم و تراز جزر و مدي وجود دارد. مؤلفههاي سرعت مطابق شکل - 3 - در ورودي بندر اندازه گرفته شدهاند.
شکل - 3 نقشه محل اندازهگيري مؤلفههاي سرعت در جلوي ورودي بندر
-3 مدلسازي عددي
در این تحقیق از مدل سهبعدي MIKE 3 جهت مدلسازي عددي استفاده شده است. نرمافزار MIKE 3 یک مدل عددي غیر هیدروستاتیکی است که براي گستره بزرگی از کاربردها چون مهندسی سواحل و دریاچهها و رودخانهها کاربرد دارد. مدل هیدرودینامیکی HD مدل پایه در MIKE 3 میباشد.
این مدل جریانهاي سهبعدي غیریکنواخت را با درنظر گرفتن اثرات تغییر چگالی، عوامل خارجی چون هواشناسی، جزر و مد و شرایط هیدروگرافی موجود شبیهسازي مینماید. مدل هیدرودینامیکی MIKE 3 معادله بقاء جرم و معادلات میانگینگیري شده ناویراستوکس - رینولدز - را با درنظرگرفتن اثرات آشفتگی و تغییرات چگالی و همچنین معادلههاي بقاء شوري و دما را در سه بعد بهعلاوه معادله حالت آبهاي شور که ارتباط دهنده چگالی موضعی به شوري یا حرارت یا فشار است را حل مینماید. جهت آگاهی از پس زمینه تئوریک MIKE3 HD میتوان به DHI - 2007 - مراجعه کرد
از آنجا که بندر موردنظر در یک رودخانه جزر و مدي واقع شدهاست و رسوب غالب از نوع ریزدانه و چسبنده میباشد، از ماژول MT - انتقال رسوبات چسبنده - جهت مدلسازي انتقال رسوب و مورفولوژي استفاده میشود. چگونگی پیادهسازي تئوري انتقال رسوب در MIKE 3 را می توان در DHI - 2007 - جستجو کرد
-1-3 کالیبراسیون مدل عددي
هندسهي بندر جزر و مدي - شکل -2 الف - ، در مدل MIKE 3 پیاده شده و شبکهبندي گردید. جهت شبکهبندي از مش بدون ساختار مثلثی استفاده شد. براي مثلثبندي، حداکثر مساحت المان برابر با 0/008 متر مربع و کوچکترین زاویه ممکن برابر با 26 درجه قرار داده شد. با توجه به اینکه جریان در ورودي بندر داراي پیچیدگیهاي بیشتري است، براي دستیابی به دقت بالاتر، حداکثر مساحت المانها در این ناحیه به میزان تقری یباًک سوم کاهش یافت و برابر با 0/003 متر مربع قرار داده شد. در نهایت 3100 المان تولید شد.
شرایط مرزي جریان به وسیله سريهاي زمانی که از شکل -2 - ب - استخراج شدند در مدل وارد گردید. بدین صورت که در بالادست رودخانه شرط مرزي از نوع دبی، و در پاییندست یعنی سمت دریا شرط مرزي از نوع تغییرات تراز سطح آب قرار داده شدند.
در مدل MIKE 3 براي مدلسازي آشفتگی از مفهوم ویسکوزیته گردابی در دو راستاي افقی و قائم استفاده میشود. در اینجا از مدل آشفتگی اسماگورینسکی در راستاي افقی و از مدل k در راستاي قائم استفاده شد. پارامترهاي استفاده شده در مدل در جدول 1 آورده شده است. در ماژول MT غلظت ثابت 0.5 kg / m 3 در هر دو مرز به عنوان شرط مرزي در نظر گرفته شد. رسوب ورودي به سیستم داراي سه جزء بوده که شامل سیلت ریز، سیلت متوسط و سیلت درشت میباشد. اثرات فولوکوله شدن در اینجا در نظر گرفته نشده است و از سرعت سقوط ثابت استفاده میشود. جدول 2 پارامترهاي مورد استفاده در ماژول MT را نشان میدهد.
جدول - 1 پارامترهاي مدل هیدرودینامیک
جدول - 2 پارامترهاي مدل انتقال رسوب
جهت کالیبراسیون مدل هیدرودینامیک، پارامتر ارتفاع زبري بستر به عنوان پارامتر کالیبراسیون در نظر گرفته شد. مقادیر خروجی مدل به ازاي زبريهاي مختلف با مقادیر اندازهگیريشده مؤلفه سرعت u در نقاط - 1-a - ، - 1-c - و - 5-e - که به صورت تصادفی انتخاب شده بودند، مقایسه شدند.
شکل - 4 - نتایج کالیبراسیون زبري را نشان میدهد. همانطور که نتایج کالیبراسیون نشان میدهند، در تمام نقاط انتخابی، نتایج مدلسازي با زبري 100 میلیمتر همبستگی بهتري با نتایج اندازهگیريشده از آزمایش دارند. لذا در نهایت براي مدلسازي هیدرودینامیک جریان زبري بستر برابر با 100 میلیمتر انتخاب شد. در شکلهاي - 5 - و - 6 - نتایج مدلسازي به ازاي زبري بستر برابر با 100 میلیمتر در دیگر نقاط اندازهگیري ارائه شده است.
شکل - 4 نتایج تحلیل حساسیت روي ارتفاع زبري بستر
