عنوان مقاله :
مدلسازي عددي تاثير طول كوله پل در سيلاب دشت بر تنش برشي بستر و مومنتوم جريان
عنوان به زبان ديگر :
Numerical Modeling of the Effect of Abutment Length in the Floodplain on Bed Shear Stress and Flow Momentum
پديد آورندگان :
صفايي، سعيد دانشگاه بين المللي امام خميني (ره)، قزوين , كيلانه ئي، فواد دانشگاه بين المللي امام خميني (ره) - دانشكده فني و مهندسي - گروه مهندسي عمران، قزوين , محجوب، امير مركز تحقيقات راه، مسكن و شهرسازي - پژوهشكده حمل و نقل، تهران
كليدواژه :
تبادل مومنتوم , تكيه‌گاه پل , تنش برشي بستر , كانال مركب , مدل فلو تري دي
چكيده فارسي :
سابقه و هدف: با بالا آمدن تراز آب در كانال اصلي و عبور آن از مرز سيلاب‌دشت، به دليل متفاوت بودن ضريب زبري و اختلاف سرعت بين كانال اصلي و سيلاب‌دشت، جريان در كانال اصلي با شتاب بيشتري نسبت به سيلاب‌دشت‌ها حركت كرده و يك تبادل مومنتوم قوي بين جريان‌ها در فصل مشترك كانال اصلي و سيلاب‌دشت به‌وجود مي‌آيد. اين تبادل باعث توليد گردابه‌هايي در فصل مشترك كانال اصلي و سيلاب‌دشت مي‌گردد. تبادل مومنتوم باعث مي‌شود از انرژي جريان پرسرعت مجراي اصلي كاسته و به انرژي جريان كم سرعت سيلاب‌دشت افزوده شود. تبادل مومنتوم همچنين باعث كاهش دبي كانال اصلي، افزايش دبي سيلاب‌دشت و كاهش ظرفيت انتقال رودخانه مي‌گردد. در فصل مشترك كانال اصلي و سيلاب‌دشت به علت وجود لايه برشي، پتانسيل ناپايداري و آبشستگي بالا است. شناخت پارامتر-هاي تنش برشي بستر و مومنتوم در كانال مركب و خصوصاً در فصل مشترك كانال اصلي و سيلاب‌دشت كمك مي‌كند كه محاسبات دقيق-تري در ارتباط با حفاظت بستر رودخانه و تعيين روش‌هاي محافظتي صورت پذيرد. در اين پژوهش به كمي‌سازي پارامتر‌هاي تنش برشي بستر و مومنتوم جريان در شرايطي كه كانال مركب، طول تكيه‌گاه پل در سيلاب‌دشت و نوع ديوار هدايت به صورت هم‌زمان بر الگوي جريان تاثير گذار هستند، پرداخته شده است.
مواد و روش‌ها: در تحقيق حاضر با استفاده از تحليل عددي سه‌بعدي به بررسي تنش برشي بستر و اختلاف مومنتوم بين سيلاب-دشت و كانال اصلي در يك كانال مركب ذوزنقه‌اي متقارن با استفاده از نرم‌افزار FLOW-3D پرداخته شده است. پس از تاييد صحت عملكرد مدل مذكور با استفاده از نتايج آزمايشگاهي موجود، تنش برشي بستر و اختلاف مومنتوم بين سيلاب‌دشت و كانال اصلي براي طول‌هاي مختلف تكيه‌گاه پل و در حالت‌هاي با و بدون ديوار هدايت بيضوي شكل مورد بررسي قرار گرفته است.
يافته‌ها: تنش برشي بستر در حالت با ديوار هدايت بيضوي شكل نسبت به حالت بدون ديوار هدايت، در كانال اصلي افزايش و در سيلاب‌دشت كاهش يافته است. تنش برشي در كانال اصلي تا 25/5 درصد افزايش و در سيلاب‌دشت تا 36/6 درصد كاهش يافته است. همچنين اختلاف مومنتوم در حالت با ديوار هدايت بيضوي شكل نسبت به حالت بدون ديوار هدايت تا مقدار 78/5 درصد افزايش يافته است.
نتيجه‌گيري: از نتايج قابل توجه اين است كه در حالت تكيه‌گاه با ديوار هدايت بيضوي، تنش برشي بستر در سيلاب‌دشت كاهش مي-يابد كه باعث بهبود شرايط در محل تكيه‌گاه پل مي‌گردد ولي افزايش تنش برشي در كانال اصلي باعث مي‌شود كه شرايط پايه‌هايي كه در كانال اصلي قرار مي‌گيرند بحراني‌تر گردد. همچنين در حالت تكيه‌گاه با ديوار هدايت بيضوي شكل اختلاف مومنتوم بين سيلاب‌دشت و كانال اصلي نسبت به حالت تكيه‌گاه بدون ديوار هدايت افزايش مي‌يابد كه اين امر باعث افزايش تنش برشي و ايجاد گردابه‌ها در فصل مشترك كانال اصلي و سيلاب‌دشت مي‌گردد.
چكيده لاتين :
Background and Objectives: As the water level rises in the main channel and crosses the floodplain boundary, because of different roughness coefficient and velocity between the main channel and the floodplain, the flow in the main channel move more acceleration than the flow in the floodplains and there will be strong momentum exchange between the flows in the intersection of the main channel and the floodplain. This exchange generates vortices in the intersection of the main channel and the floodplain. Momentum exchange reduces the high velocity flow energy of the main channel and adds to the low velocity flow energy of the floodplain. Momentum exchange also reduces the discharge of the main channel, increasing the discharge of the floodplain and decreasing river transmission capacity. At intersection of the main channel and the floodplain, due to the shear layer, the potential for instability and scour are high. Understanding parameters of the bed shear stress and momentum in the compound channel especially in the intersection of the main channel and floodplain make more accurate calculations related to the protection of the riverbed and determine the protection methods. In this study, the parameters of bed shear stress and flow momentum are quantified in conditions where the compound channel, bridge abutment length in the floodplain and the type of guide-wall simultaneously affect the flow pattern.
Materials and methods: In the present study, three-dimensional numerical analysis is performed to investigate the bed shear stress and momentum exchanging between the floodplain and the main channel in a symmetric trapezoidal compound channel by using FLOW-3D. After validating of the mentioned model, the bed shear stress and momentum exchange between the floodplain and the main channel for different bridge abutment lengths in cases with and without elliptical guide-wall have been investigated.
Results: The bed shear stress in the case with the elliptical guide wall has increased in the main channel and decreased in the floodplain compared to without guide-wall. Shear stress in the main channel has increased to 25.5% and decreased to 36.63% in the floodplain. The momentum exchange in the elliptical guide-wall case has increased up to 78.5% compared to without guide-wall case.
Conclusion: One of the remarkable results is that the bed shear stress in the floodplain decreases in the case of abutment with the elliptical guide-wall which improves the conditions at the bridge abutment. But increase the shear stress in the main channel causes the conditions of the abutment located in the main channel become more critical. Also, in the case of abutment with the elliptical guide-wall, the momentum exchange between the floodplain and the main channel increases compared to in the case of abutment without the guide wall, which increases the shear stress and creates vortices at intersection of the floodplain and the main channel.
عنوان نشريه :
پژوهش هاي حفاظت آب و خاك
