شبیه سازی الگوی جریان و رسوب با حضور سری آبشکن ها در قوس 90 درجه ملایم با استفاده از مدل CCHE2D

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه رازی کرمانشاه-پردیس کشاورزی و منابع طبیعی-دانشکده علوم و مهندسی کشاورزی-گروه مهندسی آب

2 دانشگاه کشاورزی و منابع طبیعی رامین خوزستان

چکیده

سابقه و هدف: یکی از بالاترین‌خسارات ناشی از حوادث غیرمترقبه، پدیده فرسایش سواحل می‌باشد. رودخانه‌ها تحت تأثیر پدیده فرسایش و رسوبگذاری دستخوش تغییرات گوناگونی می‌شوند که از آن جمله می‌توان به تغییر راستا، جابجایی‌های عرضی و طولی، تغییر تراز بستر و دگرگونی ویژگی‌های هندسی مسیر اشاره کرد. جهت محافظت ساحل در قوس بیرونی روشهای متعددی وجود دارد که استفاده از آبشکن از جمله بهترین و اقتصادی‌ترین روش‌‌ها در اکثر نقاط دنیا مورد استفاده قرار می‌گیرد. در تحقیق حاضر، الگوی جریان و رسوب در یک قوس 90 درجه ملایم، همراه و بدون حضور آبشکن‌ها با تغییر موقعیت قرارگیری و طول آبشکن‌ها با آرایش‌های 15%، 20% و 25% عرض فلوم با استفاده از مدل عددی CCHE2D بررسی شد و با در نظر گرفتن عملکرد هیدرولیکی آبشکن، ترکیب بهینه پارامترهای طول و موقعیت آبشکن در قوس مورد بررسی قرارگرفت.
مواد و روش‌ها: قوس به کار رفته در حل عددی این تحقیق شامل یک فلوم قوسی 90 درجه ملایم و با عرض 70 سانتی متر است که در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه شهید چمران اهواز مدل‌سازی شده است. بمنظور شبیه‌سازی الگوی جریان و رسوب، در این تحقیق از مدل عددی CCHE2D استفاده گردید. این مدل جزء مدل‌های هیدرودینامیکی دوبعدی بوده که در مرکز بین‌المللی علوم هیدرولیک و مهندسی محاسباتی دانشکده می‌سی‌سی‌پی آمریکا تهیه شده و توسعه یافته است.
یافته‌ها: صحت‌سنجی هیدرولیکی و رسوبی نتایج با استفاده از مقایسه نتایج شبیه‌سازی شده توسط مدل با نتایج آزمایشگاهی صورت گرفت. نتایج بیانگر قابلیت بالای مدل عددی در شبیه‌سازی الگوی جریان و رسوب در قوس است. نتایج حاصل از مقایسه سرعت‌ها در مدل و نتایج آزمایشگاهی بیانگر دقتی بیش از 94% می باشد. همچنین در صحت‌سنجی رسوبی مشخص شد که دقت مدل در برآورد فرسایش و رسوبگذاری بیش از 90% می‌باشد.
نتیجه‌گیری: تحلیل نتایج نشان می‌دهد که با افزایش طول آبشکن‌ها حداکثر میزان سرعت و نیز عمق فرسایش و رسوبگذاری افزایش می‌یابد. بطور مثال حداکثر عمق آبشستگی در آبشکن‌های با طول 15 و 20 درصد عرض فلوم نسبت به آبشکن‌های با طول 25 درصد عرض فلوم، به ترتیب 44% و 33% کاهش یافته است. همچنین حداکثر سرعت در آبشکن‌های دارای طول 15 و 20 درصد عرض مجرا به ترتیب 9 و 16 درصد نسبت به آبشکن‌های با طول 25 درصد عرض مجرا کاهش یافته است. نتایج نشان می دهند که الگوی فرسایش و رسوبگذاری در آبشکن با طول 20% عرض مجرا ارجحیت دارد. زیرا اولا با حداقل تغییرات کف مجرا الگوی جریان را به سمت مرکز کانال منحرف می سازند. ثانیا آبشکن‌های با طولهای 15% و 25% عرض مجرا حجم رسوبگذاری بسیار زیادی را در قوس داخلی منجر می گردند که این امر باعث می شود عرض مفید برای عبور جریان کمتر گشته و افزایش دبی در واحد عرض و همچنین افزایش تنش برشی را در پی خواهد داشت.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Simulation of Flow and Sediment Pattern with Spurdikes Series in a 90 degree Mild Bend using CCHE2D Model

چکیده [English]

Abstract
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 the best and most economical methods used in most parts of the world.
In this study, flow and sediment patterns in a 90 degree mild bend with 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 is a 90 degree mild bend flume with 70 cm width in hydraulic laboratory of Shahid Chamran University . In order to simulate the flow and sediment pattern the numerical model CCHE2D was used in this study. This model is a two-dimensional hydrodynamic model which has been prepared and developed at the International 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 indicate the 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 dikes with 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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spur dikes
  • flow and sediment pattern
  • 90 degree bend
  • CCHE2D model
1.Ciray, C. 1976. On secondary currents. 12th IAHR Congress, Fort. Collins. 1: 408-413.
2.Gu, Z.H., Cao, X.M., and Lu, J.W.Z. 2013. Exploring Appropriate CFD Model and Impact
Scale for Non-submerged Spur Dikes. APCOM & ISCM 11-14th December, 2013,
Singapore.
3.Jamieson, E.C., Rennie, C.D., and Townsend, R.D. 2013. 3D Flow and Sediment Dynamics in
a Laboratory Channel Bend with and without Stream Barbs. J. Hydr. Engin. 139: 154-166.
4.Mansoori, A.R., Nakagawa, H., Kawaike, K., Zhang, H., and Safarzdeh, A. 2012. Study of the
Characteristics of the Flow around a Sequence of Non-Typically Shaped Spur Dikes
Installed in a Fluvial Channel. Annuals of Disaster Prevention Research Institute, Kyoto
University, No. 55B, 2012.
5.Mirpanji, S., Mousavi Jahromi, H., and Mousavi, B. 2011. Investigation of the effect of
geometry and hydraulic parameters of perpendicular spurdike on river scour using CCHE2D
model. 11th Hydraulic conference, Iran, November 2011, Urumieh University. (In Persian)
6.Prandtl, L. 1952. Essentials of fluid dynamics. Hofner publishing company, New York.
7.Rozovskii, I.L. 1957. Flow of water in bend of open channel., Academy of Sciences of the
Ukrainian SSR. Institute of Hydrology and Hydraulic Engineering. 233p.
8.Vaghefi, M., Ghodsian, M., and Salehi Neyshabouri, S.A.A. 2012. Experimental Study on
Scour around a T-Shaped Spur Dike in a Channel Bend. J. Hydr. Engin. 138: 471-474.
9.Zahiri, J., Kahefipour, S.M., Shafai Bahestan, M., and Ghomeshi, M. 2012. Riprap stability
around spurs in the bend. J. Irrig. Sci. Engin. 35: 4. 49-58. (In Persian)