بخشی از مقاله
چکیده
امروزه نقش آبراهههای طبیعی به عنوان یکی از اصلی ترین منابع آب و انرژی مورد نیاز بشر انکار ناپذیر است. اکثر این آبراههها در طبیعت در اثر جریان آب دچار فرسایش می گردند از جمله سازه های حفاظتی مورد استفاده جهت جلوگیری از فرسایش سواحل رودخانه ها آبشکنها می باشند. آبشکنها سازه هایی هستند که با انحراف و هدایت جریان از ساحل فرسایش پذیر موجب کنترل سیلاب و برقراری عمق لازم برای اهداف کشتیرانی شده همچنین در حفاظت دیواره خارجی در قوسها جهت کنترل مهاجرت مئاندرها و طرحهای اصلاح مسیر رودخانه نیز مورد استفاده قرار میگیرند.
تحقیقات نشان میدهد از جمله مسایل مهم در طراحی آبشکنها، پدیده آبشستگی و توپوگرافی بستر میباشد. مروری بر مطالعات گذشته نشان میدهد که اکثر تحقیقات بر روی آبشکنهای تیغهای استوار بوده و مطالعات اندکی بر روی آبشکنهای L شکل صورت گرفته یا برروی آبشکنهای منفرد بوده است. بدین منظور در این تحقیق به سبب شبیه سازی عددی اثر تغییرات دبی جریان بر توپوگرافی بستر بر روی سری آبشکن L شکل توسط نرم افزار SSIIM انجام گرفته است. این تحقیق در شرایط آب زلال و وجود سه آبشکن L شکل صورت گرفته که نتایج قابل قبولی را نشان داده که در این مقاله مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
مقدمه
آبشکن ها از نوع سازه های هیدرولیکی چند کاره می باشند که برای اهدافی چون محافظت از سواحل رودخانه و دریا از آبشستگی و جلوگیری از بوجودآمدن گسترش مئاندر، کشتیرانی و نیز لایروبی کاربرد گسترده ای دارند. این سازه های آبی با توجه به شرایط رودخانه و اهداف موردنظر در شکل ها و انواع مختلف طراحی و احداث می گردند. اگرچه آبشکن ها با هدف رسوبگذاری و جلوگیری از فرسایش کناره ها و سواحل موجب تثبیت میگردند ولی خود تحت تاثیر پدیده فرسایش ناشی از تمرکز جریان به خصوص در قسمت دماغه می باشد.
اگرچه تاکنون در اغلب موارد از آبشکن های تیغه ای استفاده شده است ولی با این حال آبشکن ها با شکل های مختلف دماغه نیز کاربردهایی داشتهاند. از جمله این گروه آبشکن ها می توان به آبشکن های تیغه ای، سر سپری، چوگانی، سرکج -L - شکل - و ... اشاره کرد
شکل : - 1 - تقسیم بندی آبشکن ها از نظر شکل هندسی
یکی از شاخص های مهم در تعیین مشخصه های حفره آبشستگی، حداکثر عمق آبشستگی می باشد. عمده تحقیق های گذشته بر روی آبشکن های تیغه ای انجام گرفته است. ذیلا به برخی از مهمترین تحقیق های صورت گرفته بر روی موضوع انواع آبشکن ها اشاره شده است.
از اوایل سال 1930 تاکنون محققین مختلف، بررسی های آزمایشگاهی و مشاهدات تجربی گوناگونی را برای تعیین حداکثر عمق آبشستگی و امکان پیش بینی آن با استفاده از معادلات حاصل از بررسی های آزمایشگاهی انجام داده اند. از جمله این محققین می توان به لیسی 1930 - ، - Lacy، خوسلا 1936 - ، - Khosla، احمد 1953 - ،Ahmad - ، گیل 1972 - ، - Gill، کوهنل و همکاران 2002 - ،. - Kuhnenle et al، رحمان 2003 - ، - Rahman اشاره کرد
در ایران نیز محققین بسیاری به تحقیق پرداختند. از جمله این محققین می توان به اردشیر [3] - 1384 - ، صانعی [4] - 1385 - و مهتابی [5] - 1385 - اشاره کرد. لذا بررسی تحقیقات گذشته نشان می دهد که اکثر مطالعات بر روی آبشکن های تیغه ای و منفرد انجام گرفته است و بنظر می رسد در مورد سری آبشکن های -L شکل نیاز به مطالعات جدیدی می باشد.
معرفی مدل آزمایشگاهی
آزمایشات در فلوم آزمایشگاهی گروه مهندسی آب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان به شکل مستطیل و به ابعاد طول 11,8 متر، عرض و عمق 0,6 متر انجام شده است. اسکلت فلوم فلزی و دیواره های آن در طول 11,8 متر از جنس شیشه پلاستیک شفاف بود. شیب بستر 0,001 در نظر گرفته شده است. مصالح بستر با دانه بندی یکنواخت با d50 2.75 و g 1.3 ، انتخاب شده است. اندازه گیری عمق با استفاده از تراز سنج دیجیتال با دقت 0,01 میلیمتر انجام شده است. از سه آبشکن -L شکل برای آزمایش استفاده شده است. آبشکن های مورد استفاده نفوذ ناپذیر، غیر مستغرق و متعامد می باشند. برای انجام آزمایشات از 4 فاصله بین آبشکن ها - به ترتیب 1، 1,5، 2، 2,5 برابر طول آبشکن - استفاده شده است. جریان نیز در پایین دست نیز توسط دریچه ای در انتهای فلوم و یک سرریز لبه تیز استاندارد تنظیم گردیده است
معرفی مدل عددی SSIIM و معادلات حاکم
مخفف SSIIM، عبارت Sediment Simulation In Intakes with Multiblock option می باشد. مدل عددی
SSIIM از معادلات رینولدز شامل پیوستگی و ممنتوم برای حل میدان جریان استفاده می کند. با فرض دایمی بودن جریان و نیز صرفنظر کردن از نوسانات ،این معادلات به صورت زیر بیان می شوند
- 1 - معادله پیوستگی
- 2 - معادله اندازه حرکت
در معادلات فوق u مولفه سرعت، چگالی سیال و p فشار کل می باشد. همچنین در معادله - 2 - جملات uiuj بعنوان تنش های رینولدز شناخته می شوند. با مشاهده روابط - 1 - و - 2 - مشاهده می گردد در این روابط که از سه معادله اندازه حرکت و یک معادله پیوستگی تشکیل شده اند، 10 مجهول وجود دارد - p,w,v,u و شش مولفه تنش رینولدز - .در نتیجه میدان معادلات حاکم بر میدان جریان بسته نبوده و لازم است تا تنش های رینولدز با روش ریاضی مدلسازی شوند. لذا برای بستن سیستم معادلات حاکم، از مدل های آشفتگی استفاده می شود. مدل آشفتگی بکار رفته در مدل عددی SSIIM مدل - k می باشد. از میان روش های متعدد برای منفصل سازی در مدل عددی SSIIM روش حجم محدود - Finite Volume Method - مورد استفاده قرار می گیرد که به علت مستتر بودن خاصیت بقای جرم در آن، در حل میدان جریان سیال نسبت به سایر روشهای انفصال برتری دارد
مدلسازی
بمنظور مدلسازی - مش بندی - نمونه از نرم افزار Q-Basic استفاده شد. به این صورت که ابعاد و فاصله آبشکن ها و مشخصات فلوم داده فرض شد و فلوم مش بندی شده خروجی برنامه. نرم افزار SSIIM دارای دو فایل ورودی control و koordina است. فایل koordina همان مدل مش بندی شده است. در فایل control نیز اطلاعات مربوط به شرایط مرزی، دانه بندی مصالح بستر، مشخصات فلوم، معادلات حاکم ، تعداد مش های مدل، محل استقرار آبشکن ها در مدل و ... معرفی می گردند.
اثر دبی برروی حداکثر عمق آبشستگی
دانه بندی مصالح بستر
خروجی حاصل از SSIIM در این تحقیق در نتیجه مطالعه برروی سه دسته مصالح است. در جدول شماره - 1 - این سه نوع دانه بندی مشخص گردیده است.
جدول - : - 1 مشخصات ذرات بکار رفته برای مدل
سری نمونه های مدل شده:
مطالعه بر روی سه سری دبی جریان مختلف با چهار فاصله بین آبشکن ها و سه نوع دانه بندی انجام گردیده است، که بعبارتی تحقیق برروی 36 مدل صورت گرفته است. در جدول شماره - 2 - این 9 سری مدلسازی آورده شده اند.
خروجی نرم افزار :SSIIM
در جداول - 3 - ، - 4 - و - 5 - حداکثر عمق آبشستگی نسبی با توجه به دادههای ورودی و شرایط مرزی مدل آمده است.
