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

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار دانشگاه یاسوج

2 دانشجو

چکیده

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.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study effect of flow hydraulic conditions on the secondary flow pattern in bend meanders using SSIIM mathematical model

نویسنده [English]

  • hosein sarikhani 2
1.Blanckaert, K., and Graf, W.H. 2001. Mean flow and turbulence in open-channel bend. J. Hydr. Engin. ASCE. 127: 10. 835-847.
2.Da Silva, A.M.F. 1995. Turbulent flow in sine-generated meandering channels. Ph.D. Thesis, Department of Civil Engineering, Queen's University, Kingston Canada.
3.Da silva, A.M.F., El-Tahawy, T.H., and Tape, W. 2006.Variation of flow pattern with sinuosity in sine-generated meandering streams. J. Hydr. Engin. ASCE. 132: 10. 1003-1014.
4.Langbein, W.B., and Leopold, L.B. 1966. River mechanics–theory of minimum variance. U.S. Geol. Survey Prof. 442: 1-15.
5.Nelson, J.M., and Smith, J.D. 1989. Evolution and stability of erodible channel beds, P 321-378. In: S. Ikeda and G. Parker (eds), River Meandering, American Geophysical Union, Water Resources Monograph.
6.Odgaard, A.J. 1984. Bank erosion contribution to stream sediment load. Lowa Institute of Hydraulic Research, Rep. Iowa City, 280p.
7.Rozovskii, I.L. 1961. Flow of Water in Bends of Open Channels. Academy of Science of the Ukrainian SSR, Kiev. 1957; Israel Program for Scientific Translation, Jerusalem, 1961.
8.Shukry, A. 1949. Flow around bends in an open flume. Transactions, J. Hydr. Engin. ASCE. 115: 751-788.
9.Strickler, A. 1923. Beiträge zur Frage der Geschwindigkeitsformel und der Rauhigkeitszahlen fur Ströme, Kanäle und Geschlossene Leitungen, Berna.
10.Tape, W. 2001. Experimental investigation of flow patterns in meandering channels of moderate sinuosity. M.Sc. Thesis, department of Civil and Environment Engineering, University of Windsor, Windsor, Canada.
11.Termini, D. 1996. Evolution of a meandering channel with an initial flat bed: theoretical and experimental study of the channel bed and the initial kinematic characteristics of flow. Ph.D. Thesis, University of Palermo, Palermo, Italy. (In Italian)
12.Van Balen, W., Uijttewaal, W.S.J., and Blanckaert, K. 2009. Large-eddy simulation of a mildly curved open-channel flow. J. Fluid Mech. 630: 413-442.
13.Wildhagen, J. 2004. Applied Computational Fluid Dynamics with Sediment Transport in a Sharply Curved Meandering Channel. M.Sc. Thesis., University of Karlsruhe (TH).
14.Whiting, P.J., and Dietrich, W.E. 1993. Experimental studies of bed topography and flow patterns inlarge-amplitude meanders, 1. Observations. Water Resources Research, 29: 11. 3605-3614.
 15.Yalin, M.S. 1992. River Mechanics. Pergamon press, Oxford. 219p.
16.Yalin, M.S., and da Silva, A.M.F. 2001. Variational approach to the determination of meandering flows. Proc. XXIX IAHR Congress, Beijing, Sept. 17-21: 231-237.
17.Yen, C., and Ho, S. 1990. Bed evolution in channel bends. J. Hydr. Engin. ASCE. 116: 4. 544-562.