ارزيابي نتايج تجربي و عددي فرسايش بستر پيرامون پايه‌هاي پل با مقاطع هندسي مختلف

Experimental and Numerical Investigation of the Bed Erosion around Bridge Piers with Different Cross-Sections

در تحقيق حاضر به مطالعۀ تجربي و عددي تأثير مقاطع هندسي مختلف پايۀ پل بر كاهش فرسايش بستر و تنش برشي بستر پرداخته شده است. در مطالعۀ تجربي فرسايش بستر پيرامون مدل­هاي پايۀ پل بررسي و ميزان درصد كاهش در هر مدل برآورد شده است. در مطالعۀ عددي، ميدان جريان اطراف مدل پايه ­ها به­ صورت سه­بعدي با نرم­افزار فلوئنت شبيه‌سازي و اثر هر يك از مقاطع بر كاهش تنش بر شيب ستر بررسي شده است. براي تعيين درصد كارايي هر يك از مقاطع، پايه استوانه­ اي به­ عنوان مدل مبنا انتخاب و ميزان كاهش تنش برشي بستر در مدل عددي براي هر يك از مقاطع با كاهش عمق آبشستگي در مدل­هاي فيزيكي مقايسه شده است. با توجه به حساسيت مدل‌هاي عددي به مدل­هاي آشفتگي، مدل­هاي آشفتگي با مقايسۀ نيمرخ­هاي سرعت و سطح آزاد آب صحت­ سنجي شدند. نتايج بررسي­ها نشان داد مدل RNG از زيرمجموعۀ اين مدل آشفتگي به حصول نتايج عددي با دقت قابل قبولي منجر شده است.از ميان مقاطع هندسي مختلف كه براي پايۀ پل در نظر گرفته شده است، مقطع دوكي شكل با ابتداي تيز، با كاهش 72 درصد عمق آبشستگي، نسبت به مدل مبنا، بهترين مدل تعيين شده است. مدل تركيبي مقطع مستطيلي با مثلث انتهايي با كاهش 8 درصد در فرسايش بستر، كمترين تأثير را بر بهبود نتايج داشته است. مقطع مستطيلي نيز موجب افزايش عمق آبشستگي به­ ميزان 7 درصد شده است. نظر به محدوديت­هاي كه در انجام مطالعات آزمايشگاهي وجود دارد، مقايسۀ نتايج عددي با نتايج تجربي يكي ديگر از اهداف پژوهش حاضر بوده است. نتايج به­دست آمده همسو بودن كاهش تنش برشي را در مدل­هاي عددي و كاهش عمق آبشستگي را در مدل­هاي تجربي نشان مي‌دهد.

In present study, the effect of different cross-sections of bridge piers on reducing the bed erosion and the bed shear stress was experimentally and numerically evaluated. In experimental study, the bed erosion and the percentage of its resuction was calculated;also numerically, the flow around pier models was simulated three dimensionally, and the effect of each cross-section on reduction of bed shear stress was investigated. To determine the efficiency of suggested models, the circular model was selected as the reference model and the decreasing of maximum shear stresses in each model was compared with the decreased scour depth. Comparison of the velocity and water free surface profiles was conducted for verification of turbulence models and results showed that with model, more accuracy can be obtained. Among the presented models, the A2 model with decreasing scouring depth of 72 percent as copared to the refference model, was found to be best and most effective model. Also the B2 model lead to 8 percent reduction in scouring depth and can be suggested as a model that has the least effect on scouring. The D model causes the scouring depth increase by 7 percent relative to the reference model. Comparison of the numerical and experimental results was another objective of this study due to the complexities of experimental researches. The results showed that there are direct relationship between the bed shear stress and the equilibrium scour depths.