مدل‌سازي عددي انرژي جنبشي آشفتگي جريان دوبعدي افقي براي شبيه‌سازي آبشستگي بسترهاي رسي و ماسه‌اي اطراف پايه‌ دايره‌اي

Turbulent Kinetic Energy Numerical Modeling in 2D Horizontal Flow for Simulation of Scouring in Cohesive and Granular Bed around Circular Piers

در كار حاضر حل حجم محدود معادلات آب‌هاي كم عمق براي محاسبه مولفه‌هاي سرعت دو بعدي و پارامترهاي آشفتگي متوسط‌گيري شده در عمق استفاده شده و با تركيب اين پارامترها با روابط تجربي مناسب، عمق آبشستگي در بسترهاي رسي و ماسه‌اي اطراف پايه‌هاي پل با مقطع دايره اي محاسبه شده‌است. گسسته سازي معادلات جريان با استفاده از روش ريوس مثلثي همپوشان حجم محدود انجام گرفته‌است تا جريان اطراف پايه با هر هندسه دلخواه براحتي حل عددي شود. جهت مدل‌سازي آشفتگي جريان در اطراف پايه از مدل آشفتگي براي جريان با سطح آزاد استفاده شده‌است. با تلفيق پارامترهاي محاسبه شده توسط مدل عددي جريان و آشفتگي با روابط تجربي روش آزمايشگاهي SRICOS نحوه شكل‌گيري آبشستگي اطراف پايه در مسير جريان و تغييرات تراز بستر مدل مي شود. در كار حاضر كيفيت نتايج حاصل از اين استراتژي مدل‌سازي آبشستگي اطراف پايه با مقطع دايره اي براي برخي آزمون‌هاي آزمايشگاهي با نتايج در دسترس آبشستگي در بسترهاي رسي و ماسه‌اي اطراف پايه با مقطع دايره اي روي بسترهاي رسي و ماسه‌اي مورد ارزيابي قرار گرفته است.

In order to simulate the bed scouring around piers, many researchers have developed sophisticated numerical algorithms. In this work, the numerical modeling of souring around cylindrical piers are performed by solution of the shallow water equations flow and depth averaged turbulent model equations coupled with the empirical relations for cohesive and granular beds. The shallow water flow equations include to the depth average continuity and motion and depth average turbulent model equations in horizontal Cartesian coordinate systems. For computation of bed erosion at each time step, the numerical results of turbulent flow model are combined with SRICOS empirical bed erosion empirical relations, which are derived from laboratory experiments. The governing partial differential equations of depth average turbulent flow are converted to discrete form using a vertex base finite volume method suitable for triangular unstructured meshes. Therefore, scouring due to flow around piers with arbitrary shape can be modeled. Several test cases of scouring on the cohesive and sandy beds around circular piers are modeled using the developed numerical model and the computed results are compared with the laboratory measurements reported for scouring in cohesive and granular bed around circular piers by the previous experimental workers. Despite of the simplicity and light computational work load of the introduced algorithm, the computed results show promising agreements with the anticipated trends.