استخراج رابطه دبی-اشل مقاطع مرکب چندسیلابدشتی با مدلهای یک بعدی و دوبعدی

Abstract

سابقه و هدفسیل پدیده‌ای است که در طی آن جریان آب، مقطع اصلی رودخانه را پر نموده و وارد دشت‌های سیلابی می‌شود. در بعضی از رودخانه‌های طبیعی و نیز کانال‌های مصنوعی در شهرها ممکن است بیش از یک دشت سیلاب در طرفین مقطع اصلی وجود داشته باشد که به این مقاطع، کانال مرکب چند‌سیلابدشتی گفته می‌شود. در این مقاطع با وقوع سیلاب و پر شدن مقطع اصلی، ابتدا دشت سیلاب اول فعال شده و سپس با سرریز شدن این دشت سیلابی، دشت سیلاب دوم بلافاصله وارد عمل می‌شود. یکی از جنبه‌های هیدرولیکی این مقاطع، رابطه دبی-اشل است که به ازاء هر عمق جریان دلخواه، دبی مشخصی را برآورد نموده و ابزار مهمی در طراحی و ساماندهی رودخانه‌ها در زمان سیلاب است. در این مقاله، روش‌های یک‌بعدی تجزیه تبادلی و دوبعدی شیونو و نایت که قبلاً برای محاسبه دبی جریان در مقاطع مرکب پیشنهاد شده‌اند، برای مقاطع مرکب چندسیلابدشتی توسعه داده شدند.مواد و روش‌هادر مدل یک‌بعدی، ابتدا با استفاده از قانون دوم نیوتن و دخالت تنش‌های برشی ظاهری در مرز تماس مقطع اصلی و دشت سیلابی اول و نیز دشت سیلابی اول با دوم، یک دستگاه معادله خطی برای برآورد همزمان سرعت‌های متوسط جریان در بخش‌های مختلف این مقاطع استخراج شد. از معادله هاتوف و همکاران برای دخالت تنش‌های برشی ظاهری در مرزهای تماس استفاده شد. ضرایب انتقال مومنتوم در این روش با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی سینگ (2021) در یک مقطع مرکب مستطیلی و به کمک الگوریتم بهینه‌سازی گرادیان کاهشی تعمیم‌یافته، واسنجی شدند. برای استخراج مدل شبه دوبعدی شیونو و نایت، ابتدا با انتگرال‌گیری در عمق از معادلات ناویر-استوکس، یک معادله دیفرانسیلی بر حسب تنش برشی بدست آمد و سپس با اعمال فرض‌های ساده برای تنش‌های رینولدزی و نیز جریان‌های ثانویه، معادله ساده‌تری بر حسب سرعت متوسط در عمق ارائه شد. این معادله به کمک روش تفاضل‌های محدود حل شد.یافته‌هانتایج مدل یک‌بعدی تبادل دبی نشان داد که این روش با میانگین و حداکثر خطای حدود 6/2 و 7/5 درصد، کارایی مناسبی در تخمین دبی کل جریان دارد. این در حالی است که روش تجزیه قائم مقطع مرکب که هم‌اکنون کاربرد گسترده‌ای در نرم‌افزارهای مهندسی آب دارد، با میانگین خطای 1/9 درصد و حداکثر خطای 4/17 درصد، نتایج قابل اعتمادی ارائه نمی‌کند. نتایج حل عددی مدل شبه دوبعدی شیونو و نایت نشان داد که مطابقت خوبی بین پروفیل‌های توزیع عرضی سرعت مشاهداتی و محاسباتی برقرار است. همچنین مشخص شد که اثر لزجت گردابه‌ای و نیز جریان‌های ثانویه در این کانال قابل توجه بوده و باید درنظر گرفته شوند. میانگین و حداکثر خطای این مدل در تخمین دبی کل جریان به‌ترتیب 4/2 و 1/4 درصد بدست آمد.نتیجه‌گیرینتایج هر دو مدل یک و دوبعدی پیشنهادی این تحقیق نشان داد که این مدل‌ها قابلیت مناسبی برای تخمین دبی کل و نیز دبی‌های جزئی در مقاطع مرکب چندسیلابدشتی دارند. بررسی‌ها نشان داد که مرز تماس مقطع اصلی با دشت سیلابی اول از نظر شدت تلاطم و نیز قدرت جریان‌های ثانویه قویتر از مرز تماس دشت سیلابی اول و دوم می‌باشد.

Keywords

• سیلاب
• انتقال مومنتوم
• اثر متقابل
• مقاطع مرکب چندپله‌ای
• منحنی دبی-اشل