دانشکده مهندسی آب و خاک

پایاننامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد در رشته

سازههای آبی

مدلسازي عددي هيدروليك جريان و آبشستگي در پاييندست جريان ترکيبي همزمان از روي سرريز و زير دريچه با استفاده از نرمافزار Flow3D

پژوهش و نگارش:

.....................................

استاد راهنما:

دکتر امیراحمد دهقانی

اساتيد مشاور:

دكتر مهدي كاهه

دكتر عبدالرضا ظهيري

تابستان 1392

تعهدنامه پژوهشی

نظر به اینکه چاپ و انتشار پایان نامههای تحصیلی دانشجویان دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان مبین بخشی از فعالیتهای علمی- پژوهشی بوده و همچنین با استفاده از اعتبارات دانشگاه انجام میشود؛ بنابراین به منظور آگاهی و رعایت حقوق دانشگاه دانش آموختگان این دانشگاه نسبت به رعایت موارد ذیل متعهد میشوند:

1- قبل از چاپ پایان نامه خود، مراتب را قبلا به طور کتبی به مدیریت تحصیلات تکمیلی دانشگاه اطلاع داده و کسب اجازه نمایند.

2- قبل از چاپ پایان نامه در قالب مقاله، همایش، اختراع و اکتشاف و سایر موارد، ذکر نام دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان الزامی است.

3- انتشار نتایج پایان نامه باید با اطلاع و کسب اجازه از استاد راهنما صورت گیرد.

اینجانب ...................... دانشجوي رشته سازههاي آبی مقطع کارشناسی ارشد تعهدات فوق و ضمانت اجرایی آن را قبول کرده و به آن ملتزم می شوم.

نام و نام خانوادگی و امضاء

تقدیم به مهربان فرشتگانی که:

لحظات ناب باور بودن

لذت و غرور دانستن

جسارت خواستن

عظمت رسیدن

و

تمام تجربههای یکتا و زیبای زندگیم، مدیون حضور سبز آنهاست

تشکر و قدردانی

سپاس خدای را که سخنوران در ستودن او بمانند و شمارندگان، شمردن نعمتهای او ندانند و کوشندگان حق او را گزاردن نتوانند و سلام و درود بر محمد و خاندان پاک او، طاهران معصوم، همه آنان که وجودمان وامدار وجودشان است.

بدون شک جایگاه و منزلت معلم، برتر از آن است که در مقام قدردانی از زحمات بی شائبه او، با زبان قاصر و دست ناتوان، چیزی بنگاریم. اما از آنجایی که تجلیل از معلم، سپاس از انسانی است که هدف و غایت آفرینش را تأمین میکند، بر حسب وظیفه و از باب

"من لم یشکر المنعم من المخلوقین لم یشکر الله عز و جل"

مراتب قدردانیأم تقدیم به:

خانواده عزیزم که در تمام دوران زندگیم یار و همراه من بودند، بخصوص پدر و مادرم که در سایه محبت بیکرانشان چگونه زیستن آموختم

جناب دکتر امیراحمد دهقانی به خاطر راهنماییهای ارزندهای که در طول تحصیل و مراحل انجام پایان نامه ارائه نمودند

جناب دکتر مهدی کاهه که در تمامی مراحل انجام تحقيق از هيچ كمکی دريغ نورزيدند

جناب دکتر عبدالرضا ظهیری که از راهنمایی های ارزشمندشان بهرهمند شدم

همچنین دوستان خوبم که در مراحل تدوین و ارائه پایان نامه همراه من بودند .

چکیده

در سازههای ترکیبی سرریز- دریچه، تداخل جریان از زیر دریچه و روی سرریز باعث اختلاط شدید در جریان و تغییر در توزیع تنشهای برشی کف میشود. از اینرو شبیهسازی عددی الگوی جریان عبوری از این سازهها بسیار پیچیده است. هدف اصلی از این تحقیق، شبیهسازی عددی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاییندست جریان ترکیبی همزمان از روی سرریز و زیر دریچه با استفاده از نرمافزار Flow3D است. نرمافزارFlow3D یک نرمافزار قوی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی است که برای حل مسائل با هندسه پیچیده مورد استفاده قرار ميگیرد. این مدل برای شبیه سازی جریانهای سطح آزاد سهبعدی غیر ماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. در این تحقیق مدلسازی در حالت کف صلب و کف متحرک انجام شد و برای واسنجی و صحتسنجی این نرمافزار به منظور تخمین پارامترهای جریان در سازههای ترکیبی، از نتایج آزمایشگاهی صورت گرفته در این تحقیق استفاده شد. به منظور شبیهسازی پروفیل سطح آب از روش VOF استفاده شد. همچنین برای شبیهسازی آبشستگی جریان از مدلهای مختلف آشفتگی مانند RNG k-ɛ، k-ɛ و LES بهره گرفته شد. پس از اطمینان از دقت مدل و با انتگرالگیریهای پروفیلهای سرعت روی سرریز و زیر دریچه، میزان دبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه تعیین شد. سپس با انجام آنالیز ابعادی، نسبت دبی عبوی از روی سرریز به زیر دریچه، تابعی از عدد فرود (Fr)، نسبت عمق بالادست سازه به بازشدگی زیر دریچه () و هد آب روی سرریز به طول سازه () گردید. مقایسه نتایج مدلسازی در حالت کف متحرک با نتایج آزمایشگاهی نشان میدهد که مدل از قابلیت بالایی جهت شبیهسازی الگو و میزان آبشستگی برخوردار است.

کلمات کلیدی: جریان ترکیبی، سرریز- دریچه، آبشستگی، مدلسازی عددی، Flow3D.

دانلود متن کامل در

download-thesis.com

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول: مقدمه

1-1 مقدمه2

1-2 تعاریف3

1-2-1 سرریزها3

1-2-2 دریچهها3

1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچه4

1-2-4 آبشستگی6

1-3 ضرورت انجام تحقیق9

1-4 اهداف تحقیق9

1- 5 ساختار کلی پایاننامه10

فصل دوم: بررسی منابع

2-1 مقدمه12

2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان12

2-2 مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D16

فصل سوم: مواد و روشها

3-1 مقدمه22

3-2 نحوه انجام آزمایشات22

3-2-1 مخزن23

3-2-2 پمپ23

3-2-3 کانال آزمایشگاهی23

3-2-4 مخزن آرام کننده جریان24

فهرست مطالب

عنوان صفحه

3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز - دریچه24

3-3 آنالیز ابعادی25

3-4 شبیهسازی عددی27

3-4-1 معرفی نرمافزار Flow3D28

3-4-2 معادلات حاکم32

3-4-3 مدلهای آشفتگی33

3-4-3-1 مدلهای صفر معادلهای35

3 -4-3-2 مدلهای یک معادلهای35

3-4-3-3 مدلهای دو معادلهای36

3-4-3-4 مدلهای دارای معادله تنش36

3-4-4 شبیهسازی عددی مدل37

3-4-4-1 ترسیم هندسه مدل38

3-4-4-2 شبکه بندی حل معادلات جریان38

3-4-4-3 شرایط مرزی کانال40

3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدل41

3-4-4- 5 شرایط اولیه جریان43

3-4-4-6 زمان اجرای مدل43

فصل چهارم: نتایج و بحث

4-1 مقدمه46

4-2 شبیهسازی هیدرولیک جریان در حالت کف صلب46

4-2-1 واسنجی نرمافزار46

4-2-1-1 ارزیابی نرمافزارپ48

4-2-1-2 بررسی تأثیر انقباض جانبی سازه ترکیبی سرریز - دریچه بر هیدرولیک جریان54

فهرست مطالب

عنوان صفحه

4-3 شبیهسازی آبشستگی پاییندست جریان59

4-3-1 واسنجی نرمافزار59

4-3-1-1 ارزیابی نتایج نرمافزار61

فصل پنجم: پیشنهادها

5-1 مقدمه70

5-2 نتیجهگیری70

5-3 پیشنهادها71

منابع74

فهرست جدولها

عنوان صفحه

جدول 3- 1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدلسازی هیدرولیک جریان25

جدول 3- 2 معرفی نرمافزار Flow3D28

ادامه جدول 3-229

جدول 3- 3 محدوده دادههای به کار رفته جهت شبیهسازی آبشستگی38

جدول 3- 4 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار40

جدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار41

جدول 3- 6 مدلسازیهای انجام شده برای تعیین بهترین مقدار پارامترهای مربوط به رسوب42

جدول 4- 1 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-1)51

جدول 4- 2 نتایج حاصل از مدلسازی سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی برای نسبت دبیها55

جدول 4- 3 تأثیر پارامتر عدد شیلدز بحرانی بر حداکثر عمق آبشستگی60

جدول 4- 4 تأثیر پارامتر ضریب دراگ بر حداکثر عمق آبشستگی60

جدول 4- 5 تأثیر زاویه ایستایی بر حداکثر عمق آبشستگی61

جدول 4-6 تأثیر پارامتر حداکثر ضریب تراکم مواد بستر بر حداکثر عمق آبشستگی61

جدول 4- 7 بهترین مقادیر برای پارامترهای مؤثر در شبیهسازی حفره آبشستگی61

جدول 4- 8 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-4)65

فهرست شكلها

عنوان صفحه

شکل 1- 1 شماتيکي از جريان ترکيبي عبوری همزمان از روي سرريز و زير دريچه5

شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای هیدرولیکی8

شکل 2- 1 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه مستطیل شکل با فشردگی جانبی12

شکل 2- 2 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه بدون فشردگی جانبی12

شکل 2- 3 نمایی از مدلهای آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386)14

شکل 2- 4 مدل شبيهسازي شده جريان و حفره آبشستگي جريان ترکيبي (اویماز، 1987)14

شکل 2- 5 فرآيند پر و خالي شدن حفره آبشستگي درحين برخي از آزمايشات (دهقاني و بشيري، 2010) 15

شکل 3- 1 نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک23

شکل 3- 2 مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک24

شکل 3- 3 مدل فیزیکی سازه ترکیبی مورد استفاده در آزمایشات هیدرولیک جریان25

شکل 3- 4 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از سرریز و زیر دریچه در بستر صلب26

شکل 3- 5 مدلسازی پرش هیدرولیکی30

شکل 3- 6 مدلسازی جریان در قوس رودخانه30

شکل 3- 7 مدلسازی جریان عبوری از زیر دریچه30

شکل 3- 8 مدلسازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض31

شکل 3- 9 مدلسازی آبشستگی پاییندست سازه31

شکل 3- 10 مشبندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک39

شکل 3- 11 مشبندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ40

شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر صلب40

شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر رسوب41

شکل 3- 14 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی هیدرولیک جریان43

شکل 3- 15 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی حفره آبشستگی43

شکل 4- 1 مقایسه نتایج پروفیل سطح آب برای شبکهبندیهای مختلف میدان جریان با داده آزمایشگاهی46

شکل 4- 2 مقایسه پروفیل سطح آب در دو مدل تلاطمی k-ε RNG و k-ε و دادههای آزمایشگاهی47

شکل 4- 3 مقایسه پروفیل سطح آب در مدل تلاطمی k-ε RNG با دادههای آزمایشگاهی49

فهرست شكلها

عنوان صفحه

شکل 4-4 ارزیابی دقت مدل RNG k-ε برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی سرریز- دریچه49

شکل 4- 5 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs / Qg)51

شکل 4- 6 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی52

شکل 4- 7 مقایسه رابطه نسبت دبیها درسازه ترکیبی سرریز- دریچه با روابط تجربی برای تخمین دبی در سرریز و ریچه52

شکل 4- 8 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε53

شکل 4- 9 توزیع فشار جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε53

شکل 4- 10 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه54

شکل 4- 11 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه54

شکل 4- 12 شماتیکی از جریان عبوری از سازه ترکیبی دارای انقباض جانبی54

شکل 4-13 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی با انقباض جانبی55

شکل 4-14 مقایسه عمق جریان درعرض کانال دربلافاصله قبل از سازه برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه رکیبی56

شکل 4-15 مقایسه عمق جریان در طول کانال برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه ترکیبی56

شکل 4-16 توزیع مؤلفه طولی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض57

شکل 4-17 توزیع مؤلفه طولی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض57

شکل 4-18 توزیع مؤلفه عرضی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض58

شکل 4-19 توزیع مؤلفه عرضی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض58

شکل 4- 20 مقایسه دقت شبیهسازی حفره آبشستگی با استفاده از مدلهای مختلف آشفتگی59

شکل 4- 21 ارزیابی دقت نرمافزار برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی62

شکل 4- 22 ارزیابی دقت نرمافزار برای حداکثر عمق آبشستگی62

شکل 4- 23 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در بستر متحرک63

فهرست شكلها

عنوان صفحه

شکل 4- 24 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب64

شکل 4- 25 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی65

شکل 4-26 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان در اطراف سازه ترکیبی66

شکل 4-27 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز – دریچه (الف. بردارهای سرعت ب. خطوط جریان)66

شکل 4-28 توزیع تنش برشی در اطراف حفره آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز- دریچه در ابتدای اجرای برنامه67

شکل 4- 29 مقایسه رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب و بستر صلب67

شکل 4-30 نمودار رابطه حداکثر عمق آبشستگی با نسبت دبیهای عبوری از رو و زیر سازه ترکیبی68

ح

ز

فصل اول

مقدمه

1-1- مقدمه

يكي از عمدهترين مشكلات سازههايي از قبيل سرريزها، دريچهها و حوضچههاي آرامش كه در بالادست بسترهاي فرسايشپذير قرار دارند، آبشستگي در مجاورت سازه است كه علاوهبر تأثير مستقيم بر پايداري سازه، ممكن است باعث تغيير مشخصات جريان و در نتيجه تغيير در پارامترهاي طراحي سازه شود. به دليل پيچيدگي موضوع، اكثر محققين آن را به صورت آزمايشگاهي بررسي كردهاند كه با وجود تمام دستآوردهاي مهمي كه تاكنون در زمينه آبشستگي موضعي حاصل گرديده است، هنوز هم شواهد زيادي از آبشستگي گسترده در پاياب دريچهها، سرريزها، شيبشكنها، كالورتها و مجاورت پايههاي پل ديده ميشود كه ميتواند پايداري اين سازهها را با خطرات جدي مواجه كند.

پديده آبشستگي زماني اتفاق ميافتد كه تنش برشي جريان آب عبوري از آبراهه، از ميزان بحراني شروع حركت ذرات بستر بيشتر شود. تحقيقات نشان داده است كه عوامل بسيار زيادي بر آبشستگي در پاييندست سازه تأثيرگذار هستند كه از جمله آنها ميتوان به اندازه و دانهبندي رسوبات، عمق پاياب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و ... اشاره كرد (کوتی و ین[footnoteRef:1] (1976)، بالاچاندار[footnoteRef:2] و همکاران (2000)، کلز[footnoteRef:3] و همکاران (2001)، لیم و یو[footnoteRef:4] (2002)، فروک[footnoteRef:5] و همکاران (2006)، دی و سارکار[footnoteRef:6] (2006) و ساراتی[footnoteRef:7] و همکاران (2008)). [1: Kuti &Yen] [2: Balachandar] [3: Kells] [4: Lim &Yu] [5: Faruque] [6: Dey & Sarkar] [7: Sarati]

دریچهها و سرریزها به طور گسترده به منظور کنترل، تنظیم جریان و تثبیت کف، در کانالهاي باز مورد استفاده قرار میگیرند. بر اثر جریان ناشی از جت عبوري از رو یا زیر سازهها، امکان ایجاد حفره آبشستگی در پاییندست سازهها وجود دارد که ممکن است پایداري سازه را به خطر اندازد؛ بنابراین تعیین مشخصات حفره آبشستگی مورد توجه محققین هیدرولیک جریان قرار گرفته است.

به منظور افزایش بهرهوری از سازههای پرکاربرد سرریزها و دریچهها، میتوان آنها را با هم ترکیب نمود بهطوریکه در یک زمان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. با ترکیب سرریز و دریچه میتوان دو مشکل عمده و اساسی رسوبگذاری در پشت سرریزها و تجمع رسوب و مواد زائد در پشت دریچهها را رفع نمود. در سازه ترکیبی سرریز- دریچه، شرایط هیدرولیکی جدیدی حاکم خواهد شد که با شرایط هیدرولیکی هر کدام از این دو سازه بهتنهایی متفاوت است.

1-2 تعاریف

1-2-1 سرریزها

یکی از سازههای مهم هر سد را سرریزها تشکیل میدهند که برای عبور آب اضافی و سیلاب از سراب به پایاب سدها، کنترل سطح آب، توزیع آب و اندازهگیری دبی جریان در کانالها مورداستفاده قرار میگیرد. با توجه به حساس بودن کاری که سرریزها انجام میدهند، باید سازهای قوی، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند برای بهرهبرداری آمادگی داشته باشد.

معمولاً سرريزها را بر حسب مهمترين مشخصه آنها تقسيمبندي ميكنند. اين مشخصه ميتواند در رابطه با سازه كنترل و كانال تخليه باشد. بر حسب اينكه سرريز مجهز به دريچه و يا فاقد آن باشد به ترتيب با نام سرريزهاي كنترلدار و يا سرريزهاي بدون كنترل شناخته ميشوند.

1-2-2 دریچهها

دریچهها سازههایی هستند که از فلزات، مواد پلاستیکی و شیمیایی و یا از چوب ساخته میشوند. از دريچهها به منظور قطع و وصل و يا كنترل جريان در مجاري عبور آب استفاده میشود و از لحاظ ساختمان به گونهاي ميباشند كه در حالت بازشدگي كامل عضو مسدود كننده كاملاً از مسير جريان خارج ميگردد.

دريچهها در سدهاي انحرافي و شبکههاي آبياري و زهکشي کاربرد فراوان دارند. همچنين براي تخليه آب مازاد کانالها، مخازن و پشت سدها به کار ميروند (نواک[footnoteRef:8] و همکاران، 2004). [8: Novak]

دریچهها به صورت زیر دستهبندی میشوند:

بر اساس محل قرارگیری: دریچههای سطحی و دریچههای تحتانی. دریچه سطحی تحت فشار کم و دریچه تحتانی تحت فشار زیاد قرار میگیرند.

بر اساس کاری که انجام میدهند: دریچههای اصلی، تعمیراتی و اضطراری. دریچه اصلی به طور دائم مورد بهرهبرداری قرار میگیرند. برای تعمیرات از دریچه تعمیراتی و در زمان حوادث از دریچه اضطراری استفاده میشود.

بر اساس مصالح بدنه: دریچههای فولادی، آلومینیومی، بتنی مسلح، چوبی و پلاستیکی. دریچه فولادی به خاطر استقامت زیاد به صورت وسیع مورد استفاده قرار میگیرد.

بر اساس نوع بهرهبرداری: دریچههای تنظیم کننده دبی و دریچههای کنترلکننده سطح آب

بر اساس مکانیزم حرکت: دریچههای خودکار، هیدرولیکی، مکانیکی، برقی و دستی. دریچه خودکار بر اساس نیروی شناوری و وزن دریچه و بدون دخالت انسان کار میکند. دریچه هیدرولیکی بر اساس قانون پاسکال عمل مینماید. دریچه برقی از دستگاههای برقی، دریچه مکانیکی با استفاده از قانون نیرو و بازو و بالاخره دریچه دستی به صورت ساده با دست جابهجا میشوند.

بر اساس نوع حرکت: دریچههای چرخشی، غلطان، شناور و دریچههایی که در امتداد یا در جهت عمود بر جریان حرکت مینمایند.

بر اساس انتقال فشار آب: دریچهها ممکن است فشار را به طرفین یعنی به پایههای پل یا به تکیهگاهها منتقل نمایند و یا ممکن است نیروی فشار آب بر کف منتقل شود و یا ممکن است نیروی فشار آب به هر دو یعنی هم تکیهگاهها و هم بر کف منتقل شود.

1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچه

تركيب سرريز - دريچه يكي از انواع سازههاي هيدروليكي ميباشد كه در سالهاي اخير عمدتاً براي عبور سيال در مواردي كه سيال حاوي سرباره و رسوب به صورت همزمان ميباشد (مانند كانال عبور فاضلاب) بكار رفته است. سازه ترکیبی سرریز - دریچه با تقسيم دبي عبوري از بالا و پايين خود از انباشت سرباره و رسوب در پشت سازه جلوگيري ميكند. از ديگر كاربردهاي عملي اين تركيب، ميتوان انواع سدهاي تأخيري را نام برد. در سدهاي تأخيري براي جلوگيري از انباشت رسوب در پشت سد كه منجر به كاهش حجم مفيد مخزن ميگردد اقدام به تعبيه تخليهكنندههاي تحتاني ميگردد. از طرف ديگر اين نوع سدها به علت برآورد اهداف طراحي و عبور سيلابهاي محتمل به صورت روگذر نيز عمل ميكنند كه از اين دو جهت، مدل تركيبي سرریز - دریچه ايده مناسبي براي تحليل اين نوع سدها ميباشد. اگرچه اين نوع سازه داراي كاربرد فراواني در سازههاي هيدروليكي ميباشد.

جهت به حداقل رساندن مشكلات در سرريزها و دريچهها و همچنين جهت بالا بردن مزاياي آنها ميتوان از سازه تركيبي سرريز - دريچه استفاده كرد به طوري كه در يك زمان، جريان آب بتواند هم از روي سرريز و هم از زير دريچه عبور نمايد. اين وسيله تركيبي ميتواند مشكلات ناشي از فرسايش و رسوبگذاري را مرتفع نمايد (دهقاني و همكاران، 2010).

همچنين با اين روش، رسوبات و مواد زائد در پشت سرريزها انباشته نميشوند (ماخرک، 1985).

مشكلاتي را كه در اثر وجود مواد رسوبي يا شناور در آب انتقالي براي آبياري حاصل ميشود، ميتوان با استفاده از سازه تركيبي سرريز - دريچه به مقدار زيادي كاهش داده که امكان اندازهگيري دقيقتر و سادهتر را به همراه دارد ( اسماعيلي و همكاران، 1385).

سيستم سرريز - دريچه امکان عبور جريان را از پايين و بالاي يک مانع افقي در قسمت مياني مجرا به طور همزمان فراهم نموده، بدين صورت که مواد قابل رسوب را در پشت دريچه به صورت زيرگذر و مواد شناور را به صورت روگذر سرريز عبور ميدهد (شکل 1- 1).

جریان عبوری از زیر دریچه

جریان عبوری از روی سرریز

شکل 1- 1 شماتيکي از جريان ترکيبي عبوری همزمان از روي سرريز و زير دريچه

از اينرو تعيين شکل و حداکثر عمق آبشستگي در پایيندست سرريز و دريچه ترکيبي به منظور تثبيت وضعيت بستر ميتواند مفيد واقع شود.

1-2-4 آبشستگی

آبشستگی یکی از موضوعات مهم و قابل توجه در مهندسی رودخانه و هیدرولیک جریان در بسترهای آبرفتی میباشد. چنانچه در یک بازه مورد بررسی، مقدار رسوب وارد شده کمتر از مقدار رسوب خارج شده باشد، عمل فرسایش کف رودخانه و یا بدنه آن رخ میدهد و کف رودخانه بتدریج عمیق میشود. از جمله اثرات منفی گود شدن بستر رودخانه، میتوان به شکست برشی و لغزش در بستر و نیز گرادیان هیدرولیکی خروجی اشاره کرد که در نهایت، افزایش فشار بالابرنده و ایجاد پدیده تراوش را در پی دارد.

به فرسایش بستر و کناره آبراهه در اثر عبور جریان آب، به فرسایش بستر در پاییندست سازههای هیدرولیکی به علت شدت جریان زیاد و یا به فرسایش بستر در اثر بوجود آمدن جریانهای متلاطم موضعی، آبشستگی گویند. عمق ناشی از فرسایش بستر اولیه را عمق آبشستگی مینامند. (کتاب هیدرولیک کانالهای روباز، دکتر ابریشمی)

از آنجا که مکانیزم عمل آبشستگی در مکانهای مختلف متفاوت میباشد، از این رو آبشستگی را به دو نوع تقسیمبندی میکنند:

نوع اول آبشستگی تنگشدگی[footnoteRef:9] میباشد. این نوع آبشستگی در دو حالت اتفاق میافتد: [9: Contraction Scour]

الف) در جایی که رودخانه هنوز به حالت تعادل نرسیده و پتانسیل حمل رسوب در بازهای از رودخانه بیش از میزان رسوب ورودی به این بازه باشد.

ب) در جایی که سرعت جریان به دلایلی مانند کاهش مقطع رودخانه در محل پلها، افزایش پیدا میکند که در مقطع تنگ شده آبشستگی اتفاق میافتد.

در محل احداث پل، آبشکن و یا دیواره ساحلی معمولاً عرض رودخانه را کاهش میدهند. این عمل باعث میشود که سرعت جریان در این محدوده افزایش یابد. در نتیجه به ظرفیت حمل رسوب افزوده شده و سبب خواهد شد تا بستر رودخانه در این محل فرسایش یابد. عمل فرسایش آنقدر ادامه مییابد تا ظرفیت حمل رسوب کاهش یافته و برابر با ظرفیت حمل رسوب در مقطع بالادست گردد. در این حالت، نرخ فرسایش در این محل کمتر میشود. هر چند این فرسایش موجب میشود که تأثیر پسزدگی آب در بالادست کاهش یابد ولی به خاطر این مسئله نباید اجازه داده شود تا فرسایش صورت گیرد زیرا آبشستگی باعث خطرات جدی مثل واژگونی پل میگردد.

نوع دیگر آبشستگی، آبشستگی موضعی[footnoteRef:10] است. این نوع آبشستگی در پاییندست سازههای هیدرولیکی، در محل پایههای پل و به طور کلی هر مکانی که شدت جریانهای درهم به طور موضعی افزایش یابد، بوجود میآیند. [10: Local Scour]

آبشستگی موضعی پاییندست سازههای هیدرولیکی نظیر سدها، سرریزها، شوتها، سازههای پلکانی و ... پدیده طبیعی است که بهدلیل وجود سرعت محلی بیش از سرعت بحرانی بوجود میآید و دلایل آن را میتوان به صورت زیر بیان کرد:

1- ناکافی بودن مقدار استهلاک انرژی

2- تشکیل پرش هیدرولیکی ناپایدار و یا انتقال پرش خارج از کف حوضچه آرامش

3- بوجود آمدن جریانهای گردابی[footnoteRef:11] در پاییندست سازههای هیدرولیکی [11: Eddy]

شکل (1- 2) چند نوع سازه هیدرولیکی و آبشستگی پاییندست آنها را نشان میدهد.

شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای هیدرولیکی (استاندارد آب و آبفا، 1389)

میزان عمق آبشستگی برای هر یک از سازهها بستگی به شرایط هیدرولیکی جریان و مشخصات رسوب و شرایط هندسی سازه دارد. تخمین میزان عمق آبشستگی از اینرو اهمیت دارد که ممکن است باعث تخریب سازه گردد.

به طور کلی آبشستگی در اثر اندرکنش نیروهاي زیر حاصل میشود:

1- نیروي محرك ناشی از جریان که در راستاي جدا کردن ذره از بستر عمل میکند.

2- نیروي مقاوم ناشی از اصطکاك ذرات و وزن ذره که در برابر حرکت ذره مقاومت کرده و مانع جدایی ذره از بستر میشود.

جریانها در محل وقوع آبشستگی، یک فرآیند دوفازی (آب و رسوب) است. بنابراین آبشستگی متأثر از متغیرهای بسیاری از قبیل پارامترهای جریان، مشخصات بستر آبرفتی، زمان و هندسه آبراهه میباشد. به همین دلیل، محققین هر یک به مطالعه بخشی از این وقایع پرداخته و آن را به صورت آزمایشگاهی و تجربی بررسی کردهاند.

1-3 ضرورت انجام تحقیق

از آنجایی که در سازههای ترکیبی سرریز - دریچه، تداخل جریان از زیر دریچه و روی سرریز باعث اختلاط شدید در جریان، تغییرات در توزیع تنشهای برشی کف و از اینرو افزایش پیچیدگی محاسبات میشود، بنابراین شبیهسازی الگوی جریان، سطح آزاد آب و آبشستگی مورد توجه محققین قرار دارد و لذا در این تحقیق، علاوه بر بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان در بستر صلب، توانایی نرمافزار Flow3D در شبیهسازی عددی الگوی جریان و آبشستگی مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت.

1-4 اهداف تحقیق

تحقیق انجام شده به منظور پاسخگویی به اهداف زیر صورت گرفته است:

1- بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه در بستر صلب و مدلسازی عددی آن با نرمافزار Flow3D و مقایسه نتایج حاصل از آن دو

2- مدلسازی عددی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی با نرمافزار Flow3D و مقایسه نتایج حاصل از آن با نتایج بدست آمده از بررسیهای آزمایشگاهی توسط محققین دیگر

3- ارزیابی دقت مدلهای تلاطمی نرمافزار Flow3D در شبیهسازیهای عددی الگوی جریان و آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز – دریچه در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی

4- محاسبه نسبت دبی عبوری از بالای سرریز به زیر دریچه با استفاده از مدل Flow3D

1- 5 ساختار کلی پایاننامه

این تحقیق در پنج فصل به شرح زیر تدوین شده است:

فصل اول- کلیات: که شامل مقدمهاي بر سرریزها، دریچهها و مبانی ترکیب این دو سازه بوده و همچنین در رابطه با هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاي هر کدام از سازههاي سرریز یا دریچه و یا سازه ترکیبی سرریز - دریچه کلیاتی ارائه گردیده است.

فصل دوم- بررسی منابع: در این فصل، پیشینه تحقیقها در زمینه هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه، آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی و همچنین مطالعات انجام شده توسط نرمافزار Flow3D بررسی خواهد شد.

فصل سوم- مواد و روشها: این فصل شامل معرفی مواد و روشهای تحقیق، آشنایی با نرمافزار Flow3D و مراحل مدلسازی است.

فصل چهارم- نتایج و بحث: در این فصل، نتایج ارائه شده شامل دو بخش است. بخش اول مربوط به نتایج آزمایشات انجام شده در بستر صلب مربوط به جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز – دریچه و بخش دوم مربوط به نتایج شبیهسازی عددی الگوی جریان، پروفیل و آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی است.

فصل پنجم- نتیجهگیری و پیشنهادها: این فصل دربرگیرنده نتایج بدست آمده از تحلیلها به همراه پیشنهادهایی برای تحقیقات بعدی است.

10فصل اول/ مقدمه

مدلسازي عددي هيدروليك جريان و آبشستگي در پاييندست جريان ترکيبي همزمان...9

فصل دوم

مروري بر منابع

2-1 مرور منابع

در این فصل، بررسی منابع و سوابق تحقیق در دو بخش مطالعات آزمایشگاهی و مطالعات عددی توسط نرمافزار Flow3D ارائه میشود که ابتدا مطالعات آزمایشگاهی در دو حالت بستر صلب و متحرک ارائه شده و سپس مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D نام برده میشود. چون در مورد جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز– دریچه، مدلسازی با نرمافزار Flow3D تاکنون انجام نگرفته است مطالعات عددی نرمافزار Flow3D در همه زمینهها اشاره شده است.

2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان

12فصل پنجم/ نتیجهگیری

منابع

فهرست منابع

استاندارد صنعت آب و آبفا. نشريه 318، الف. 1389. راهنماي روشهاي محاسبه آبشستگي موضعي. وزارت نيرو، معاونت امور فني آب و آبفا، دفتر مهندسي و معيارهاي فني آب و آبفا.

استاندارد مهندسي آب. نشريه 136، ن. 1380. راهنماي تعيين آبشستگي در سازههاي مهم هيدروليکي. وزارت نيرو، شرکت سهامي مديريت منابع آب ايران.

اسماعيلي، ک.و فتحي مقدم. م. 1385. ضريب دبي در مدل سرريز- دريچه. همايش ملي مديريت شبکههاي آبياري و زهکشي دانشگاه شهيد چمران اهواز، دانشکده مهندسي علوم آب.

الیاسی، س.، اقبالزاده، ا.، جوان، م.، واقفی، م. و احمدی، آ. 1390. شبیهسازی عددی جریان اطراف تک آبشکن مستغرق در کانال مستقیم شیبدار با استفاده از نرمافزار Flow3D. دهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، دانشگاه گیلان.

امیراصلانی، ش. 1387. بررسی عددی اثر زاویه اصطکاک داخلی رسوبات بر روی ابعاد چاله آبشستگی ناشی از جت ریزشی آزاد. دومین کنفرانس ملی سد و نیروگاههای برقابی.

باباعلی، ح. ر.، شمسایی، ا. و خدابخشی، ع. 1387. معرفی نرمافزار Flow3D و مدلسازی جریان آزاد و مستغرق درون پارشال فلوم. چهارمین کنفرانس دانشجویان مهندسی عمران سراسر کشور.

بیرامی، م. ک. 1387. سازههای انتقال آب. انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان. چاپ هفتم.

حسینی، س. ع. و عبدیپور، ا. 1389. مدلسازی عددی پروفیل سرعت در جریانهای گلآلود پیوسته و بررسی تأثیر شیب، غلظت و دبی بر آن.

حیدرپور، م. و رضویان، ح. 1386. بررسی جریان ترکیبی از روی سرریز مستطیلی با فشردگی جانبی و زیر دریچه مستطیلی بدون فشردگی جانبی در حالت لبهتیز. نهمین سمینار سراسری آبیاری و کاهش تبخیر.

دهقاني، ا. ا. و بشيري، ح. 1389. مشخصات حفره آبشستگي پایيندست سازه ترکيبي دريچه و سرريز. ششمين همايش ملي علوم و مهندسي آبخيزداري و چهارمين همايش ملي فرسايش و رسوب.

شاملو، ح. و جعفری، پ. 1387. بررسی اثر زبری کف در الگوی جریان اطراف پایه پل به کمک نرمافزار Flow3D . چهارمین کنگره مهندسی عمران، دانشگاه تهران.

شاهرخی، م. 1387. مقایسه انواع مدلهای توربولانس در جریانهای آشفته. چهارمین کنگره مهندسی عمران، دانشگاه تهران.

شهابی، م. 1390. بررسی آزمایشگاهی آبشستگی پاییندست جریان ترکیبی همزمان از روی سرریز و زیر دریچه. پایاننامه کارشناسی ارشد، دانشگاه شیراز. واحد بین الملل.

طالب بیدختی، ن.، دهقانی، ا. ا. و شهابی، م. 1390. بررسی آزمایشگاهی اثر انقباض جریان بر حفره آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز – دریچه. ششمین کنفرانس مدیریت منابع آب ایران.

طالب بیدختی، ن.، دهقانی، ا. ا. و شهابی، م. 1390. بررسی اثر ارتفاع آب روی سرریز بر حفره آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز – دریچه. چهارمین کنفرانس مدیریت منابع آب ایران.

عباسی چناری، س.، کمان بدست، ا. م. و واحدیان، ج. 1390. اولین همایش منطقهای توسعه منابع آب.

قنادان، ر. 1391. شبیهسازی عددی جریان از روی سرریز جانبی لبهپهن با استفاده از مدل Flow3D . پایاننامه کارشناسی ارشد، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان.

Ahmed, F.H. 1985. Characteristics of discharge of the combined flow through sluice gates and over weirs. Iraq, Journal Engineering and Technology. 3:2.49-63.

Acharya, A. 2001. Experimental study and numerical simulation of flow and sediment transport around a series of spur dikes. PhD Thesis. In the Graduate College. the university of Arizona.

Blachandar, R. 2000. The effect of tail water depth on the dynamics of local scour. Canadian Journal of Civil Engineering. 27:138 – 150.

Brethour, J., and Burnham, J. 2010. Modeling sediment erosion and deposition with the Flow3D sedimentation & scour model.

Dehghani, A.A., and Bashiri, H. 2009. Experimental investigation of scouring in downstream of combined flow over weirs and below gates. 33rd Iahr Conference. Canada.

Dehghani, A.A., and Bashiri, H. 2010. Characteristics of scouring in downstream of combined flow over weirs and below gates. 4th National Conference of erosion and sedimentation.

Dey, S., and Sarkar, A. 2006. Scour downstream of an apron due to submerged horizontal jets. Journal of Hydraulic Engineering. 132: 3. 246 – 257.

Faruque M.A.A., et al,. 2006. Clear water local scour by submerged three dimention wall jets: effect of tail water depth. Journal of Hydraulic Engineering. 132: 6. 575 – 580.

Flow3D, Help, Ver. 10.0.1, Flow Science Inc.

González, A.E., and Bombardelli, F.A. 2005. Two phase flow theoretical and numerical models for hydraulic jumps including air entrainment. In Proc. XXXI IAHR Congress. Seoul. Korea.

Kaheh, M. 2009. Comparison of k-ϵ and RNG k-ϵ turbulent models for estimation of velocity profiles along the hydraulic jump on corrugated beds.

Kells, j. 2001. Effect of grain size on local channel scour below a sluice gate. Canadian Journal of Civil Engineering. 28: 440 – 451.

Kuti, E., and Yen, C. 1976. Scouring of cohesive soils. Journal of Hydraulic research. 14: 3. 195 – 206.

Lim, S., and Yu, G. 2002. Scouring downstream of sluice gate. First International conference on scour of foundation. Texas Transportation Institute. Nov. 17 – 20. Texas A & M University. College Station. Texas. USA.

Majcherek, H. 1985. Submerged Weirs. Journal of Hydraulic Engineering, Proc. ASCE. 111: 1. 163-168.

Muste, M., and Ettema, R. 2004. Scale effects in flume experiments on flow around a spur dike in flatbed channel. Journal of Hydraulic Eng. 130: 635- 646.

Negm, M.A.A., Al-Barahim, A.M., Al-Hamid, A.A. 2002. Combined free flow over weir and below gates. J. Hydr. Research. 40p.

Negm, A.M., El-Saiad, A.A., Alhamid, A.A., and Husain, D. 1994. Characteristics of simultaneous flow over weir and below inverted V-Notches. Civil Engineering Research Magazine (CERM). Civil Engineering Department. Faculty of Engineering. Al-Azhar University. Cairo. Egypt. 16: 9. 786-799.

Negm, A.M. 1997. Characteristics of combined flow over weirs and below gates. In Sudan Engineering Society Journal. January. 43:34.

Sabbagh Yazdi, S.R. 2007. Turbulent modeling effects on finite volume solution of three dimensional aerated hydraulic jumps using volume of fluid. Proceedings of the 12th WSEAS International Conference on applied Mathematics.

Samani, J., and Mazaheri, M. 2007. Combined flow over weir and under Gate. 7th Congress of Hydraulic in Iran.

Samani, J., and Mazaheri, M. 2009. Combined flow over weir and under gate. Journal of Hydraulic Engineering. 135: 3.

Sarathip, Faruque, M.A.A. and Balachandar, R. 2008. Influence of tail water depth, Sediment size and densimetric froude number of scour by submerged square wall jets. Journal of Hydraulic Research. 46:2.158 – 175.

Shesha Prakash, M.N., and Shivapur, A.V. 2004. Generalized head discharge equation for flow over sharp-crested inclined inverted V-Notch weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering ©ASCE. 130: 4.

Shokry, A., Bui, M.D., and Rutschmann, P. 2011. Numerical investigation of flow and sediment transport around acircular bridge pier.

Uyumaz, A. 1985. The investigation for scour downstream of A.vertical gate. Int. Symp. on Water Resour. Mgmt. in metropolitan areas. Sao Paulo. Brazil. II. Nov, 11-14. Pp:146-156.

Uyumaz, A. 1985. Scour downstream of vertical gate. Journal of Hydraulic Engineering. 114: 7.

Walsh, B.W., and Vasquez, J.A. 2009. CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow. 33rd IAHR Congress of Water Engineering for a Sustainable Environment.

18منابع

مدلسازي عددي هيدروليك جريان و آبشستگي در پاييندست جريان ترکيبي همزمان...17

Abstract

In combined weir-gate structures, interaction of flows over weir and through gate brings up intense mixing and changes bed shear stresses distribution. Hence, simulation of flow pattern in downstream of these structures is very complex. The object of this research is numerical modeling of flow and scour pattern in downstream of combined weir-gate structures by Flow3D software. Flow3D employs a high accurate model in computational fluid dynamics for simulation of problem with complex geometry on wide limits of fluid flows in open channel hydraulic. In this paper, the numerical modeling of flow was performed on rigid and removable bed. For calibration of the hydraulic parameters of the combined structure, some experimental tests were conducted. Applying VOF method and RNG k-ε, k-ε and LES turbulent models, a series of simulation scour pattern in downstream of weir-gate structure were performed. After accuracy ensuring of the results, and integration of velocity profiles on weir and under the gate, the ratio of flow discharge passing over and under the weir-gate structure was determined. Through dimensional analysis, an equation for estimation of relative discharge as a function of Froude number (Fr), ratio of upstream depth to gate opening height () and water head on weir divided by height of structure () was determined. Comparison of numerical modeling of flow and sediment scour pattern and experimental test results on removable bed indicated that the model has a high potential to simulate flow and scour pattern in downstream of combined weir-gate structures.

Keywords: Combined flow, Weir-Gate, Scour pattern, Numerical modeling, Flow3D.

Gorgan University of

Agricultural Sciences and Natural Resources

College of Soil and Water Engineering

A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements

for the degree of M.Sc. in

Water Structures

Numerical modeling of flow and scour pattern in downstream of combined flow over weirs and through gates by Flow3D

By:

......................

Supervisor:

Amir Ahmad Dehghani (PhD)

Advisors:

Mehdi Kahe (PhD)

Abdolreza Zahiri (PhD)

Summer 2013