بررسی تأثیر شرایط هیدرولیکی جریان بر شکل گیری الگوی جریان ثانویه در پیچان رودهای تند با استفاده از مدل ریاضی SSIIM

Abstract

سابقه و هدف: رودخانه‌های طبیعی یکی از اصلی‌ترین منابع فراهم‌کننده آب و انرژی برای انسان به‌‌شمار می‌روند. طراحی و مدیریت سیستم­های بهره­برداری از رودخانه نیاز به فهم کاملی از مکانیک جریان و انتقال رسوب دارد. پیچان‌رودها یکی از رایج‌ترین انواع رودخانه‌ها در طبیعت هستند که جریان بسیار پیچیده در آن برقرار است. خاصیت سه‌بعدی و پیچیده جریان در پیچان‌رودها لزوم بررسی الگوی جریان دراین مجاری را با مدل‌های عددی سه‌بعدی مطرح می‌سازد. هدف از این پژوهش بررسی الگوی جریان و پیش‌بینی محل فرسایش و رسوبگذاری در پیچان‌رودها و همچنین مطالعه تأثیر پارامترهای عدد فرود (Fr) و نسبت عرض به عمق (B/h) بر میدان جریان می‌باشد. مواد و روش‌ها: در مطالعه حاضر، با استفاده از مدل ریاضی سه‌بعدی SSIIM1.1 به مطالعه الگوی جریان آشفته در کانالی با مولد سینوسی و زاویه 50 درجه با مقطع مستطیلی به عرض B=40 cm و بستر صلب پرداخته شده است. جهت حل دستگاه معادلات از مدل‌های آشفتگی دو معادله‌ای و استفاده شد و خصوصیات جریان مانند الگوی جریان اولیه و ثانویه مورد مطالعه قرار گرفت. جهت واسنجی و صحت‌سنجی نتایج عددی نیز از نتایج آزمایشگاهی تیپ و داسیلوا استفاده شده است. یافته‌ها: با تغییر عدد فرود از 15/0 به 41/0، در الگوی جریان ثانویه و نحوه توزیع سرعت تغییری رخ نداد اما عمق آبشستگی در نزدیکی ساحل داخلی افزایش یافت. همچنین با کاهش نسبت B/h از 5/12 به 4 تعداد گردابه‌های موجود در مقطع از 2 عدد به 3 عدد افزایش یافت و مشخص شد در رودخانه‌های عریض قدرت جریان ثانویه به مقدار قابل‌توجهی کاهش می‌یابد اما همچنان روند نزولی و صعودی بودن آن مشابه رودخانه‌های عمیق می‌باشد. نتیجه‌گیری: مقایسه نتایج به‌دست آمده از مدل‌های عددی با نتایج آزمایشگاهی نشان داد که الگوی جریان به‌وسیله هردو مدل آشفتگی به خوبی پیش‌بینی شده اما مدل در بعضی موارد نتایج نزدیک‌تری به نتایج آزمایشگاهی ارائه داده است. نتایج نشان می‌دهد الگوی تنش برشی به تغییرات عدد فرود وابسته است اما الگوی جریان ثانویه با تغییر عدد فرود تغییر چندانی نمی‌‌کند. همچنین تغییرات نسبت عرض به عمق (B/h) بر روی الگوی جریان ثانویه و الگوی تنش برشی تأثیر می‌گذارد به‌طوری‌که برای B/h<8 سلول چرخشی کوچکی علاوه بر سلول چرخشی اصلی در نزدیکی ساحل خارجی به وجود می‌آید.

Keywords

• الگوی جریان
• شبیه‌سازی عددی
• پیچان‌رودها
• مدل‌های آشفتگی
• جریان ثانویه
• ssiim