مدل سازي عددي توزيع عرضي سرعت در مقاطع مركب پيچانرود

Numerical simulation of velocity lateral distribution in meandering compound channels

مطالعه هيدروليك جريان در قوس رودخانه ها همواره مورد توجه محققان و مهندسان بوده است. در محل قوس، تغييرات عمق جريان، سرعت و تنش برشي در عرض رودخانه ها بسيار شديد بوده و باعث ايجاد جريان حلزوني و فرسايش قوس خارجي و رسوبگذاري در قوس داخلي مي شود. اين وضعيت براي رودخانه هايي كه داراي دشت هاي سيلابي هستند بسيار پيچيده تر است. در اين شرايط، جريان وارد دشت هاي سيلابي شده و انتقال مومنتوم بين مقطع اصلي و دشت هاي سيلابي، باعث تغيير جهت جريان ثانويه مي شود. در اين مقاله، از يك مدل رياضي شبه دوبعدي براي شبيه سازي توزيع عرضي سرعت در رودخانه هاي سيلابي پيچانرود استفاده شده است. اين مدل رياضي توام با روابط بدون بعد جريان ثانويه در دستگاه منحني الخط به‌صورت عددي حل شده است. مهم‌ترين نتيجه به‌دست آمده از اين پژوهش كه بر خلاف ساختار جريان در مقاطع ساده پيچانرود است، بيانگر اين است كه مقادير بيشينه و كمينه سرعت به‌ترتيب در قوس هاي داخلي و خارجي اتفاق مي‌افتد. اين نتيجه با داده هاي آزمايشگاهي توزيع عرضي سرعت در مقاطع مركب پيچانرود همخواني دارد. همچنين نتايج حل عددي در مقايسه با نتايج روش اروين و همكاران از دقت بهتري برخوردار است. متوسط خطاي نسبي روش پيشنهادي براي محاسبه سرعت جريان در مقطع اصلي حدود 6 درصد و براي روش اروين و همكاران بيش از 10 درصد است.

Meandering has attracted the attention of scientists and engineers since a long time. In river bend, high variations of flow depth, velocity and shear stress across the river produce a spiral flow and hence, bank erosion in outer bank and sedimentation in inner bank. Such situation is very complicated in rivers with floodplains. In this condition, flood flow enters the floodplains and changes the direction of secondary flow because of momentum transfer between main channel and floodplains. In this paper, using a quasi-two dimensional mathematical model, the lateral distribution of velocity in overbank meandering rivers is simulated. This mathematical model combined with dimensionless relationships for secondary flow term is solved numerically in curvilinear system. The most important result of this research indicates that the maximum and minimum magnitudes of velocity are occurred in inner and outer banks, respectively, which is in the opposite sense with the flow structure at the inbank meandering channels. This finding agrees well with the experimental data in overbank meandering channels. Furthermore, the numerical results have higher accuracy compared with Ervine et. al. method. The mean relative error of proposed and Ervine et al. methods for predicting the main channel velocity are 6 and 10 percents, respectively.