شبیه‌سازی نرم‌افزاری تأثیر صفحات مستغرق بر چاله آب‌شستگی در محل تقاطع کانال‌ها

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه عمران- دانشکده مهندسی شهید نیکبخت- دانشگاه سیستان و بلوچستان - زاهدان - ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد سازه های هیدرولیکی، گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

3 استادیار گروه مهندسی عمران دانشکده مهندسی شهید نیکبخت - دانشگاه سیستان و بلوچستان

چکیده

سابقه و هدف: پدیده تقاطع کانال‌ها و رودخانه‌ها ازجمله مسائلی است که در کانال‌های آبیاری و زهکشی، کانال‌های جمع‌آوری آب‌های سطحی، تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب و رودخانه‌های طبیعی رخ می‌دهد. هدف از این پژوهش، بررسی تأثیر صفحات مستغرق نصب‌شده در کانال فرعی بر کنترل و کاهش عمق چاله‌ی آب ‌شستگی در اتصال 90 درجه کانال‌ها و ارائه بهترین موقعیت و آرایش صفحات مستغرق با استفاده از شبیه‌سازی نرم‌افزاری است.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش از نرم‌افزار شبیه‌سازی جریان Flow-3D به‌منظور مدل‌سازی حالات مختلف قرارگیری صفحات مستغرق در تلاقی کانال‌های 90 درجه استفاده‌شده است. برای صحت ‌سنجی نتایج از داده‌های آزمایش‌های انجام‌شده در آزمایشگاه گروه مهندسی عمران دانشگاه صنعتی شریف استفاده‌شده است. مدل آزمایشگاهی مذکور از یک کانال اصلی به طول 12 متر و عرض 40 سانتیمتر و یک کانال فرعی به طول 3 متر و هم‌عرض با کانال اصلی تشکیل‌شده است. کانال فرعی در فاصله 35/6 متری از ابتدای کانال اصلی و با زاویه 90 درجه نسبت به آن نصب‌شده است. معادلات حاکم در شبیه‌سازی نیز معادلات ناویر استوکس و پیوستگی جریان‌های تراکم ناپذیر بودند. جهت مدل کردن آشفتگی نیز از مدل دو معادله‌ای k-w استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج این مطالعه نشان داد که شبیه‌سازی نرم‌افزاری می‌تواند الگوی آب شستگی در محل تلاقی را به‌خوبی برآورد ‌نماید. بطوریکه اختلاف حداکثر عمق آب ‌شستگی در محل تلاقی بین مدل عددی و آزمایشگاهی 4/1 درصد بود. همچنین مدل‌سازی‌هایی با زوایا، ابعاد و فواصل مختلف از صفحات مستغرق جهت تعیین بهترین موقعیت صفحات مستغرق برای کاهش عمق آب ‌شستگی در محل تلاقی دو کانال با زاویه 90 درجه انجام گرفت. نتایج این مدل‌سازی‌ها نشان داد که چنانچه زاویه‌ی قرار‌گیری صفحات مستغرق نسبت به راستای جریان کانال فرعی برابر 60 درجه، نسبت طول صفحات به عرض کانال برابر 25/0، فاصله طولی صفحات از یکدیگر نصف عرض کانال فرعی، فاصله عرضی صفحات از یکدیگر 375/0 عرض کانال فرعی و فاصله نصب صفحات از محل تلاقی دو کانال بین 25/0 تا 375/0 عرض کانال فرعی باشد؛ صفحات مستغرق به‌طور مؤثری حداکثر عمق چاله آب ‌شستگی ایجادشده در محل اتصال دو کانال با زاویه 90 درجه را کاهش می‌دهند.
نتیجه‌گیری: نتیجه نهایی حاصل از این پژوهش نشان می‌دهد که چنانچه صفحات مستغرق در موقعیت مناسب و با ابعاد بهینه در کانال فرعی نصب شوند می‌توانند عمق چاله آب‌شستگی در محل تقاطع را کاهش دهند. بطوریکه در این پژوهش حداکثر عمق آب ‌شستگی با نصب صفحات مستغرق در کانال فرعی 21 درصد نسبت به حالت بدون صفحات کاهش یافت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Software simulation of submerged vane effects on scour depth at channel confluence

نویسندگان [English]

  • Mohammad Givehchi 1
  • siroos harif 2
  • Gholamreza Azizyan 3
1 Civil Eng. Department, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
2 Master's degree in Hydraulic Structures, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran.
3 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan
چکیده [English]

Background and objectives: The Channels and rivers confluence phenomenon is the issue which happens in the irrigation and drainage channels, superficial water accumulative channels, water and waste water refinery and rivers. The aim of this research is to investigate the effect of several installed submerged vanes in tributary channel on controlling and decreasing the erosion at 90 degrees confluence of channels, detecting the best situation and vanes orders by using the simulation software.
Materials and Methods: In this research, Flow-3D flow simulation software was used to model the various states of submerged vanes at 90-degree channels confluence. In order to verify the results, the data from the experiments carried out in the laboratory of the civil engineering department of Sharif University of Technology have been used. The experimental model consists of a main channel with a length of 12 meters and a width of 40 cm and a tributary channel of 3 meters in length, the width of the tributary channel is equal to the main channel. The tributary channel is located 6.35 meters from the beginning of the main channel and is connected to the main channel at a 90-degree angle. The using equations were Navier-Stokes and continuity equations for modeling incompressible flows. For modeling Turbulence, the k-w equation model was used.
Results: The results of this study showed that software simulation can estimate the scour pattern very well. So the difference between the maximum depth of scour of numerical and laboratory models in confluence was 1.4%. Also few modeling were done with angles, dimensions and different locations of vanes to calculate the best conditions of vanes to decrease the depth of scour in channels confluence. The results show that it is possible to decrease the scour hole dimensions, considering that submerged vanes are installed in the 60 degree (in respect to longitudinal axis of channel), the ratio of the length of the submerged vanes to the channel width is equal to 0.25, the longitudinal spacing of the submerged vanes is half the width of the channel, the spacing of the submerged vanes from each other is 0.375 of the channel width and the distance between the installation of the submerged vanes from the intersection of 0.25 to 0.375 is the width of the channel; submerged vanes effectively reduce the maximum depth of scour hole at the junction of two channels with a 90 degree angle.
Conclusion: The final result of this study shows that if submerged vanes are installed in an appropriate position with optimal dimension in the tributary channel, they can reduce the maximum depth of the scour hole at channel confluences. In this study, the maximum scour depth was reduced by 21% submerged vanes compared to non submerged vanes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Channel Confluence
  • Erosion
  • Submerged Vanes
  • Flow-3D
> 1.Biswal, S.K., Mohapatra, P., and Muralidhar, K. 2016. Hydraulics of combining flow in a
right-angled compound open channel junction. Sadhana. 41: 1. 97-110.
2.Ghobadian, R., and Basiri, M. 2016. The effect of downstream curved edge on local scouring
at 60 degree open channel junction using SSIIM1 model. Ain Shams Engin. J. 7: 2. 543-552.
3.Lauchlan, C.S. 1999. Countermeasures for pier scour. Ph.D. Thesis. The Univ .of Auckland.
Auckland. New Zealand. 378p.
4.Mohajeri, M., Aminnejad, B., and Babakhani, A. 2015. The effect of size, layout and number
of vanes effects on separation zone and turbulence parameters in connection to 90 channels.
Fourteenth National Iranian Hydraulic Conference. University of Sistan and Baluchestan.
Zahedan. 8p. (In Persian)
5.Mohammadiun, S., Neyshabouri, S.S., Naser, G., and Vahabi, H. 2016. Numerical
Investigation of Submerged Vane Effects on Flow Pattern in a 90° Junction of Straight and
Bend Open Channels. Iran. J. Sci. Technol. Trans. Civil Engin. 40: 4. 349-365.
6.Nozari, S., Fazeli, S., and Jamali, Mr.M. 2013. Experimental studies of vanes mounted
on the tributary channel to reduce erosion at the channel confluences. 12th Iranian Hydraulic
Conference. Karaj, Department of Irrigation and Reclamation Engineering Tehran
University. Iranian Hydraulic Association. 9p. (In Persian)
7.Nazari-Giglou, A., Jabbari-Sahebari, A., Shakibaeinia, A., and Borghei, S.M. 2016. An
experimental study of sediment transport in channel confluences. Inter. J. Sed. Res.
31: 1. 87-96.