بررسي تجربي و عددي فرايند آبشستگي در اطراف پايه‌هاي با مرزهاي جانبي متناسب با پروفيل سرعت تحت جريان دائمي

Experimental and Numerical Investigation of Scouring Process around the Piers with Lateral Boundaries Fitted by Velocity Profile under Steady State Flow condition

شكل پایه‌ها یكی از مهمترین عوامل تأثیرگذار در فرایند آبشستگی اطراف آنهاست. بررسی تأثیر استفاده از پایه با مقطع متغیر در عمق در كاهش عمق آبشستگی یكی از موضوعات مورد توجه پژوهشگران بوده است. پایه‌های مورد بررسی‌ در این تحقیق شامل دو دسته اصلی پایه‌های مبتنی بر پروفیل لگاریتمی، پایه‌های مخروطی و یك پایه استوانه‌ای مبنا می­باشد. مقطع این پایه‌ها دایروی بوده و در پایه‌های لگاریتمی، عرض پایه از كف تا سطح آب با شیبی متناسب با پروفیل لگاریتمی سرعت كاهش می‌یابد. به دلیل افزایش عرض عبوری جریان در نواحی نزدیك تر به سطح آب در مورد پایه‌های لگاریتمی و مخروطی، جریانی كه دارای حداكثر سرعت در این نواحی است، با سهولت بیشتری از اطراف پایه‌های مذكور نسبت به پایه استوانه‌ای عبور كرده و از سرعت آن كاسته می شود. بنابراین فشار دینامیكی در قسمت فوقانی این پایه­ها نسبت به پایه استوانه­ای كاهش یافته و جریان رو به پایین ضعیف‌تری در جلوی پایه ایجاد می‌شود كه نتیجه امر كاهش عمق آبشستگی خواهد بود. در این بررسی تجربی و عددی، پایه‌های لگاریتمی به دلیل داشتن شیب غیرخطی زیاد در مجاورت بستر و شیب غیرخطی كم در نزدیكی سطح آب، در مقایسه با پایه­های مخروطی با شیب خطی ثابت در عمق جریان، عملكرد بهتری از خود نشان دادند. نتایج تحقیق نشان داد كه سه مدل با پروفیل لگاریتمی متناسب با (mm 78/0d50=)، (mm 1/1d50=) و (mm 3/1d50=) و سه مدل با پروفیل مخروطی با زاویه (o5/5 )، (o5/7 ) و (o5/9 ) (كه در آنها φ زاویه شیب جانبی پایه‌هاست) به ترتیب با كاهش عمق آبشستگی نسبی 9/55%، 4/65%، 2/73%، 5/38%، 2/47% و 7/52%  نسبت به مدل استوانه­ای مبنا (به قطر 5/4 سانتی متر) همراه بوده اند. در ادامه به شبیه‌سازی عددی برخی از آزمایش‌ها با مدل Flow-3D به روش حجم محدود پرداخته شده است. سرانجام نتایج مدل عددی و تجربی با یكدیگر مقایسه شده و تطابق نسبی منطقی بین آنها مشاهده شده است.

The piers’ shape may be considered as one of the key factors in controlling the scour process around it, as this mainly changes the stream flow pattern around the structure. Furthermore, piers with variable section in depth may also be of interest in reducing the scour around them. The aim of this study was to evaluate the effectiveness of the piers with lateral boundaries fitted by velocity profile due to steady flow, in reducing local scour, when compared to the circular and conical shaped piers. The section of the piers was circular and the widths or diameters of these piers reduce from bed to water surface with a slope fitted by velocity profile. Due to increasing flow discharge close to the water surface, the flow which has maximum velocity in this region will then pass around the piers easier than the cylindrical pier and its velocity is reduced. Therefore, in using these piers, the dynamic pressure in upper regions decreases relative to that of the cylindrical pier and there will be a weaker down flow in front of pier which will consequently cause decreasing of the scour depth. The models tested in this study were three models with logarithmic profiles fitted by (d50=0.78, 1.1, 1.3 mm) and three models with conical profiles by ( degrees, in which φ is the angle of lateral slope). Then, the relative scour depth for these models compared with the cylindrical reference model and the maximum scour depth decreased with the rate of 55.9%, 65.4%, 73.2%, 38.5%, 47.2% and 52.7%, respectively. These tests have been performed in a wide flume at hydraulic research laboratory and under clear water conditions over12 hours using relatively uniform sediments particles. For the numerical models, the maximum scour depth around the piers was simulated using Flow-3D model. It was found that the numerical model results were in reasonably good agreement with the experimental data.