شبيه سازي الگوي جريان و رسوب با حضور سري آبشكن ها در قوس ۹۰ درجه ملايم با استفاده از مدل CCHE2D

Simulation of flow and sediment pattern with spurdikes series in a 90 degree mild bend using CCHE2D model

سابقه و هدف: يكي از بالاترين‌خسارات ناشي از حوادث غيرمترقبه، پديده فرسايش سواحل مي‌باشد. رودخانه‌ها تحت تأثير پديده فرسايش و رسوبگذاري دستخوش تغييرات گوناگوني مي‌شوند كه از آن جمله مي‌توان به تغيير راستا، جابجايي‌هاي عرضي و طولي، تغيير تراز بستر و دگرگوني ويژگي‌هاي هندسي مسير اشاره كرد. جهت محافظت ساحل در قوس بيروني روشهاي متعددي وجود دارد كه استفاده از آبشكن از جمله بهترين و اقتصادي‌ترين روش‌‌ها در اكثر نقاط دنيا مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در تحقيق حاضر، الگوي جريان و رسوب در يك قوس 90 درجه ملايم، همراه و بدون حضور آبشكن‌ها با تغيير موقعيت قرارگيري و طول آبشكن‌ها با آرايش‌هاي 15%، 20% و 25% عرض فلوم با استفاده از مدل عددي CCHE2D بررسي شد و با در نظر گرفتن عملكرد هيدروليكي آبشكن، تركيب بهينه پارامترهاي طول و موقعيت آبشكن در قوس مورد بررسي قرارگرفت. مواد و روش‌ها: قوس به كار رفته در حل عددي اين تحقيق شامل يك فلوم قوسي 90 درجه ملايم و با عرض 70 سانتي متر است كه در آزمايشگاه هيدروليك دانشگاه شهيد چمران اهواز مدل‌سازي شده است. بمنظور شبيه‌سازي الگوي جريان و رسوب، در اين تحقيق از مدل عددي CCHE2D استفاده گرديد. اين مدل جزء مدل‌هاي هيدروديناميكي دوبعدي بوده كه در مركز بين‌المللي علوم هيدروليك و مهندسي محاسباتي دانشكده مي‌سي‌سي‌پي آمريكا تهيه شده و توسعه يافته است. يافته‌ها: صحت‌سنجي هيدروليكي و رسوبي نتايج با استفاده از مقايسه نتايج شبيه‌سازي شده توسط مدل با نتايج آزمايشگاهي صورت گرفت. نتايج بيانگر قابليت بالاي مدل عددي در شبيه‌سازي الگوي جريان و رسوب در قوس است. نتايج حاصل از مقايسه سرعت‌ها در مدل و نتايج آزمايشگاهي بيانگر دقتي بيش از 94% مي باشد. همچنين در صحت‌سنجي رسوبي مشخص شد كه دقت مدل در برآورد فرسايش و رسوبگذاري بيش از 90% مي‌باشد. نتيجه‌گيري: تحليل نتايج نشان مي‌دهد كه با افزايش طول آبشكن‌ها حداكثر ميزان سرعت و نيز عمق فرسايش و رسوبگذاري افزايش مي‌يابد. بطور مثال حداكثر عمق آبشستگي در آبشكن‌هاي با طول 15 و 20 درصد عرض فلوم نسبت به آبشكن‌هاي با طول 25 درصد عرض فلوم، به ترتيب 44% و 33% كاهش يافته است. همچنين حداكثر سرعت در آبشكن‌هاي داراي طول 15 و 20 درصد عرض مجرا به ترتيب 9 و 16 درصد نسبت به آبشكن‌هاي با طول 25 درصد عرض مجرا كاهش يافته است. نتايج نشان مي دهند كه الگوي فرسايش و رسوبگذاري در آبشكن با طول 20% عرض مجرا ارجحيت دارد. زيرا اولا با حداقل تغييرات كف مجرا الگوي جريان را به سمت مركز كانال منحرف مي سازند. ثانيا آبشكن‌هاي با طولهاي 15% و 25% عرض مجرا حجم رسوبگذاري بسيار زيادي را در قوس داخلي منجر مي گردند كه اين امر باعث مي شود عرض مفيد براي عبور جريان كمتر گشته و افزايش دبي در واحد عرض و همچنين افزايش تنش برشي را در پي خواهد داشت.

Background and Objectives: One of the highest losses due to natural disasters is bank erosion. Rivers affected by erosion and sedimentation are subject to various changes such as change of direction, movement in transverse and longitudinal directions, bed level changes and transformation of geometric features. There are several methods to protect the bank in the outer arc, spur dikes are one of thebest and most economical methods used in most parts of the world. In this study, flow and sedimentpatterns in a 90 degree mild bendwith and without spur dikes by changing the position and length of the spur dikes with Configurations 15%, 20% and 25% of the flume width was examined using numerical model CCHE2D and by considering the hydraulic performance of spur dikes the optimum combination of parameters, length and position of spur dike in the bend were investigated. Materials and Methods: The bend used in the numerical simulation in this study isa 90 degree mild bend flume with 70 cm width in hydraulic laboratory of Shahid Chamran University. In order to simulate the flow and sedimentpattern the numerical model CCHE2D was used in this study. This model is a two-dimensional hydrodynamic model which has been prepared and developed at theInternational Science and hydraulic center of Mississippi School of Computational Engineering in America. Results: Hydraulic and sedimentary results were verified by comparing the simulated results by model with experimental results. The results indicatethe numerical models high capability in simulating the flow and sediment pattern in the bend. Comparison of the model and experimental velocity results indicates an accuracy of more than 94 percent. The sediment validation also indicated that the models accuracy in estimating the sediment erosion and deposition is over 90%. Conclusion: The results show that by increasing the length of the spur dikes, the maximum velocity and depth of erosion and sedimentation also increases. For example, the maximum scour depth of spur dikes with length equal to 15 and 20 percent of flume width compared to spur dikes with 25 percent of flume width length decreases 44% and 33% respectively. Also the maximum velocity of spur dikes with 15 and 20 percent of flume width length decreases 9% and 16% respectively compared to spur dikeswith 25 percent of flume width length. The results show that the erosion and sedimentation pattern of spur dikes with length equal to 20% of flume width is preferred. Because, firstly they divert the flow to the center of the main channel with causing the least changes in the channel bed. Secondly, the spur dikes with 15% and 25% of the channel width length cause a massive volume of sedimentation in the inner arc of bend.