سرعت جريان در كانال مركب پيچان تحت تأثير ضريب خميدگي

رودخانه­هاي طبيعي براي تنظيم شيب خط انرژي، به­ندرت در مسيري مستقيم جريان دارند و معمولاً داراي مسيري انحنادار هستند كه به آن­ها پيچان­رود گفته مي­شود. پس از پيدايش رودخانه­هاي پيچان، با گذشت زمان و حركت جانبي پيچ­ها، ميزان پيشروي قوس بروني افزايش يافته و مقدار ضريب خميدگي يا سينوسي در پلان زياد مي شود. دركانال­هاي پيچان، ميزان انحنا با عدد بي بعدي به نام ضريب خميدگي تعريف مي­شود كه نسبت طول مسير انحناداركانال اصلي به طول مستقيم سيلاب دشت مي­باشد. با افزايش مقدار ضريب خميدگي، شيب، سرعت جريان و ظرفيت انتقال دبي رودخانه كاهش مي يابد. در نتيجه خطر سيلابي شدن به طور قابل توجهي افزايش يافته و در هنگام بروز سيلاب، سطح آب از مقطع اصلي رودخانه فراتر رفته و وارد دشت هاي سيلابي آن مي شود. در اين حالت با توجه به اندركنش بين جريان با سرعت بالا در كانال اصلي و جريان كندتر در سيلاب­دشت­ها و تبادل اندازه حركت بين اين دو ناحيه، مشخصات جريان دائماً در حال تغيير مي­كند. در اين تحقيق، مشخصات هيدروليكي جريان شامل توزيع عرضي سرعت متوسط عمقي، پروفيل سطح آب، توزيع سرعت در طول، نسبت سرعت عرضي به طولي در محور مركزي كانال اصلي، ميزان سرعت متوسط و دبي عبوري از كانال اصلي، بردارهاي سرعت در مقاطع مختلف عرضي و توزيع برآيند سرعت در سطوح مختلف افقي با توجه به تغيير ضريب خميدگي براي شش نوع كانال با مقادير سينوسي مختلف به صورت عددي مورد بررسي قرارگرفته است. براي بررسي اثر ضريب خميدگي كانال مركب پيچان روي مشخصات هيدروليكي جريان، از نرم­افزار FLOW3D استفاده شده است و مدل آشفتگي اين نرم­افزار نيز طوري انتخاب گرديدكه انطباق بهتري با داده هاي آزمايشگاهي داشته باشد. براي اين منظور، از دو مدل آشفتگي پركاربرد RNG و k-ε استفاده شد و عملكرد اين دو مدل در شبيه­سازي مشخصه هيدروليكي جريان مورد بررسي قرار گرفت و مشخص گرديد كه مدل آشفتگي RNG داراي دقت بيشتري مي­باشد. در ادامه، اين مدل به عنوان مدل آشفتگي نهايي براي شبيه سازي عددي معرفي گرديد. در نهايت با بررسي كانال مركب پيچان تحت تأثير ضريب خميدگي مختلف مشخص شد كه با افزايش ضريب خميدگي كانال از مقدار 1 به 1.641، مقدار سرعت متوسط مقطع كانال اصلي به طور ميانگين 54% و ميزان دبي عبوري از كانال اصلي به طور متوسط 38% كاهش مي يابد. با افزايش ضريب خميدگي، مقدار حداكثر سرعت متوسط عمقي از 0.55 به 0.38 متر برثانيه كاهش و مقدار حداكثر ارتفاع سطح آب از 0.305 به 0.332 متر در قوس بيروني مقطع CS1 افزايش مي يابد. افزايش مقدار ضريب خميدگي باعث مي شود نسبت سرعت عرضي به سرعت طولي در محور مركزي كانال اصلي افزايش يافته به­طوري­كه مقدار آن در بحراني­ترين حالت از صفر به 0.4 مي رسد. با افزايش ضريب خميدگي، مقدار سرعت طولي حداكثر به سمت سيلاب­دشت سمت راست (خم داخلي) حركت كرده و از مقدار آن كاسته مي شود. به طوري­كه با افزايش ضريب خميدگي از 1 به 1.641، مقدار حداكثر سرعت طولي از 0.55 به 0.42 متر برثانيه كاهش يافته و موقعيت آن از مركز كانال اصلي به سمت خم داخلي در بالاي عمق لبريز كانال اصلي حركت مي­كند.

Natural rivers are rarely in direct flow because of regulating energy grade-line, and usually have a curved path to which it is referred to as "meandering channels". After the appearance of meandering rivers, with the passage of time and lateral movement of the meanders, the external bending progression and the sinusoidal or curvature is increased. In meandering channels, the curvature of the meandering sections with a dimensionless number can be defined as the sinusoidal which is the ratio of meander length of main channel to the floodplain length. By increasing sinusoidal slope number, flow velocity and river discharge capacity decrease. As a result, the risk of flood has increased significantly and during floods the water level exceeds to the bankfull and then enters to the floodplains. In this case, due to the interaction between higher velocities in the main channel and the lower velocities in the floodplains and the momentum transfer between these two regions, the flow profile is constantly changing. In this research, the hydraulic characteristics of flow including the depth-averaged velocity, the water surface profile, longitudinal velocity distributions, ratios of transverse to longitudinal velocities in the central axis of the main channel and the mean velocity and flow rate of the main channel along the meandering compound channel have been investigated numerically, regarding the change in the sinusoidal ratio for six types of channels with different sinusoidal ratios. In order to investigate the effect of sinusoidal ratio in meandering compound channels on the hydraulic characteristics of the flow, the FLOW3D software is used. So that, the turbulence model with experimental data have a better compliance. for this purpose, two RNG and k-ε turbulence models were then used and the performance of these two models were investigated to simulate the important hydraulic characteristics of the flow, such as the flow velocity, and it was determined that the RNG turbulence model has a better accuracy than the k- ε turbulence model. In the following, this model was introduced as a final turbulence model for numerical simulations. Numerical simulation results show that by increasing the sinusoidal ratio of channel from 1 to 1.641, the mean velocity of the main channel section is decreased by 54% on average and the flow rate of the main channel decreases by the average of 38%. Also, by increasing the sinusoidal ratio, the maximum depth-averaged velocity, Ud, decreases from 0.55 m/s to 0.38 m/s, and the maximum free surface height of the water rises from 0.305 m to 0.332 m in the outer bend of the CS1 cross section. By increasing the sinusoidal ratio causes the ratio of the transverse velocity to be increased longitudinally in the central axis of the main channel, so that its value in the most critical state reaches from zero to 0.4. As the sinusoidal ratio increases, the maximum length velocity moves towards the right side floodplain (internal bend) and decreases its value. So that by increasing the sinusoidal ratio from 1 to 1.641, the maximum longitudinal velocity 0.55 m/s to 0.42 m/s and its position moves from the centerline of the main channel to the inner bend over the depth of the main channel overflow.