بخشی از مقاله
چکیده:
آبشکنها از جمله سازههای ساماندهی رودخانه می باشند که از ساحل به سمت محور رودخانه امتداد دارند. آبشکن ها با تعدیل شرایط هیدرولیکی و ایجاد جریان آرام، قدرت فرسایشی آب و توان حمل مواد رسوبی را کاهش داده و زمینه مساعدی برای رسوبگذاری و تثبیت کناره ها فراهم می آورند. از جمله مسائل مهم در طراحی آبشکن، پدیده آبشستگی موضعی دماغه آن میباشد که به علت تغییر در الگوی جریان و وجود گردابه های قوی پدیدار میشود. طی سالهای متمادی گذشته، اکثر تحقیقات بر روی آبشکن تیغه ای استوار بوده که اغلب بصورت آزمایشگاهی انجام شدهاست.
لذا در این مطالعه آبشستگی تحت شرایط آب زلال و الگوی جریان 3بعدی در اطراف آبشکن سرکج با زبانه به سمت پایین دست با طول و زبانه 8 سانتیمتر ودر0/95وU/Uc=0/8 با استفاده از مدل عددی SSIIM شبیهسازی شده است. در این مدل عددی معادلات 3بعدی ناویر-استوکس برای جریان به همراه مدل آشفتگی k- حل میشود و از حل همزمان معادلات جریان و پیوستگی رسوب میتوان آبشستگی اطراف آبشکن سرکج را مدلسازی کرد. نتایج نشان می دهد که حداکثر عمق آبشستگی در آبشکن سرکج با زبانه به سمت پاییندست، در محل اتصال زبانه با محور آبشکن اتفاق میافتدو در 0,8=U/Uc آبشستگی کمتری حاصل شده است. همچنین شکل و عمق حفره آبشستگی حاصل شده از مدل عددی انطباق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد.
مقدمه:
از جمله روشهای حفاظت سواحل، ساخت سازه هایی است که با تاثیر بر خطوط جریان از شدت برخورد آن با دیوارهها کاسته و رسوبگذاری را افزایش دهند. از جمله این سازهها، انواع آبشکنها می باشد. هندسه آبشکن در مقابل جریان، باعث ایجاد جریان آشفته چرخشی و گردابی در اطراف آن خواهد شد که مکانیزم اصلی آبشستگی موضعی به حساب می آید. پیش بینی نحوه ایجاد، گسترش و وضعیت نهایی گودال آبشستگی از مهمترین موارد طراحی هیدرولیکی آبشکنها می باشد. یکی از شاخص های مهم در تعیین مشخصات حفره آبشستگی، حداکثر عمق آبشستگی میباشد.
از زمانی که مساله آبشستگی موضعی به عنوان یک مساله مهم در مهندسی رودخانه مطرح شده است، مطالعات آبشستگی موضعی با استفاده از مدلهای فیزیکی تحت شرایط ساده شده آزمایشگاهی انجام شده و روابط متعددی برای تخمین حداکثر عمق آبشستگی بدست آمده است.
اکثر این مطالعات و روابط بدست آمده برای آبشکنهای تیغهای و منفرد می باشند. - هاشمی نجفی، - 2008 مطالعات آزمایشگاهی را برای آبشکنهای منفرد سرکج انجام دادند. همچنین آبشستگی در سری آبشکنها هم مورد بررسی قرار گرفتهاست.
از کارهای عددی انجام شده توسط مدل سه بعدی SSIIM در شبیهسازی آبشکنها می توان به تحقیق - نوروزی، - 2004 اشاره کرد. نتایج تحقیق ایشان نشان می دهد که تطابق خوبی بین نتایج آزمایشگاهی و عددی برقرار است. - ناجی ، - 2007 نیز، آبشستگی حول آبشکن تیغه ای را در قوس 90 درجه با نرم افزار SSIIM مدلسازی کرد. هدف از این تحقیق، بررسی عددی الگوی جریان و آبشستگی حول آبشکن سرکج با زبانه به سمت پایین دست میباشد. برای ارزیابی مدل عددی SSIIM در تخمین حداکثر عمق آبشستگی، نتایج حاصل از مدل با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است.
مدل عددی
در این مقاله مدل عددی olsen - SSIIM ، - 2007 جهت حل معادلات جریان و آبشستگی در اطراف آبشکن سرکج مورد استفاده قرار گرفته است. در این مدل از معادلات رینولدز، شامل پیوستگی و ممنتوم برای حل میدان جریان و معادلات پیوستگی رسوب و پخش انتقال رسوب برای محاسبه تغییرات تراز بستر و محاسبه توزیع غلظت رسوب در فضای 3 بعدی استفاده شده است.
مدل SSIIM برای حل جریان، معادلات ناویراستوکس را در سه بعد و با روش گسستهسازی حجم محدود1 حل میکند. برای گسستهسازی از یک حجم کنترلی و یک روش توانی 2 که یک روش مرتبه اول بالادست3 می باشد، استفاده شده است. برای انتگرال گیری در زمان از یک روش ضمنی استفاده شده است. برای بدست آوردن فشارها، روش SIMPLE در همه سلول ها بجز سلولهای مجاور سطح آب مورد استفاده قرار گرفته است. برای محاسبه لزجت گردابه ای از مدل آشفتگی k-ε استفاده شده است.
برای سلولهای سطح، پیوستگی جریان جهت محاسبه حرکت سطح آب استفاده شده است. در سطح آب گرادیان همه متغیرها بجز k صفر است. همچنین در مرز خروجی جریان شرط مرزی متقارن اعمال شده است. در مرز ورودی نیز مقدارمشخص سرعت ها قراردارند.
توزیع سرعت در راستای افقی یکنواخت و در راستای قائم لگاریتمی در نظر گرفته شده است. برای تعیین سرعتها نزدیک دیوارها - بستر، کناره ها و ... - از قوانین دیواره ارائه شده توسط Schlichting - ، - 1969 استفاده شده است. پس از حل جریان، تنش برشی در بستر محاسبه شده و جهت مشخص کردن غلظت رسوب در نزدیکترین سلول به بستراز روی معادله Van Rijn - ، - 1987 استفاده میشود. معادله انتقال پخش برای سلولهای مجاور بستر حل نشده است و بنابراین تغییرات در بستر با حل معادله بقا، جرم برای رسوب بدست آمده است.
مشخصات میدان حل
میدان مورد نظر یک فلوم آزمایشگاهی با طول 10/8 متر، عرض و عمق 0/6 متر و شیب بستر0/001 می باشد. مصالح بستر با دانه بندی یکنواخت d50=1/ 5 mm انتخاب شده است. فاصله محل آبشکن تا ابتدای کانال 5/5 متر در نظر گرفته شد. آبشکن هم از جنس پلاکسی گلاس به ضخامت 8 میلیمتر انتخاب شده است.
شکل -1پلان ومقطع طولی فلوم آزمایشگاهی
شرایط مرزی میدان جریان
در مدل SSIIM برای شرط مرزی جداره تنظیم فاصله گره ها در جهت عمود بر جداره اهمیت خاصی دارد. در مرز خروجی، برای تمام متغیرها شرط مرزی گرادیان صفر اعمال می شود و در ورودی بالادست میدان برای پارامترهای سرعت و آشفتگی از شرط مرزی دریشله استفاده شده است. اعمال این شرط در مدل SSIIM با دادن دبی و سطح آب در پایین دست و همچنین مشخص کردن عدد استریکلر بهدست میآید. در این تحقیق مقدار دبی بر اساس تحقیق آزمایشگاهی انجام شده توسط هاشمی - - 2008 برابر 25و20 لیتر در ثانیه - - U/Uc=0/8,0/95 و عمق آب 11/6و11 سانتیمتر در نظر گرفته شده است.
تولید و تنظیم شبکه بندی میدان حل
اوّلین مرحله قبل از اجرای مدل عددی تقسیم بندی ناحیه مورد نظر به سلول هایی است که معادلات دیفرانسیلی حاکم بر میدان جریان و رسوب باید برای آن ها حل گردند. این فرایند مش بندی - شبکه بندی - نامیده می شود. ساختن شبکه مناسب زمان برترین فرآیند آماده سازی اطّلاعات ورودی برای مدل عددی SSIIMمی باشد که دقّت محاسبات، همگرایی و زمان محاسبات را تحت تأثیر قرار می دهد.
جهت کاستن زمان و حجم محاسبات و در عین حال افزایش دقّت آن، شبکه ساخته شده توسّط یک برنامه جداگانه تهیّه شده توسّط مؤلّفین به زبان QBASIC در چهار مرحله و بتدریج با نزدیک شدن به آبشکن ریز شده است. به طوریکه در فواصل دورتر از آبشکن اندازه سلول ها 4 cm 0/8 cm و سپس با کمتر شدن فاصله 2/5 cm 0/8 cm و 1 cm 0/8 cmنهایتاً در 0/8 متر میانی در اطراف آبشکن 0/8cm 0/8cm تعیین شده است. تعداد مقاطع استفاده شده در پلان در جهت طولی و باوجّهت به طول در نظر گرفته شده فلوم 485 و در جهت عرضی 75 عدد بود. با توجه به اینکه در جهت قائم توزیع خطوط شبکه در%5، % 10، % 20، %30،%40 ،%50، %70، و %100 عمق جریان بوده، تعداد کل سلولها در شبکه سه بعدی مدل 327375 عدد بوده است. پس از ساختن شبکه با اعمال شرایط مرزی دبی و تراز آب پاییندست مدل عددی اجرا شده و حداکثر عمق آبشستگی محاسبه شده است.
