مدلسازی عددی تاثیر طول کوله پل در سیلاب دشت بر تنش برشی بستر و مومنتوم جریان

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی

2 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران،

3 دانشجوی کارشناسی ارشد آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران،

چکیده

سابقه و هدف: با بالا آمدن تراز آب در کانال اصلی و عبور آن از مرز سیلاب‌دشت، به دلیل متفاوت بودن ضریب زبری و اختلاف سرعت بین کانال اصلی و سیلاب‌دشت، جریان در کانال اصلی با شتاب بیشتری نسبت به سیلاب‌دشت‌ها حرکت کرده و یک تبادل مومنتوم قوی بین جریان‌ها در فصل مشترک کانال اصلی و سیلاب‌دشت به‌وجود می‌آید. این تبادل باعث تولید گردابه‌هایی در فصل مشترک کانال اصلی و سیلاب‌دشت می‌گردد. تبادل مومنتوم باعث می‌شود از انرژی جریان پرسرعت مجرای اصلی کاسته و به انرژی جریان کم سرعت سیلاب‌دشت افزوده شود. تبادل مومنتوم همچنین باعث کاهش دبی کانال اصلی، افزایش دبی سیلاب‌دشت و کاهش ظرفیت انتقال رودخانه می‌گردد. در فصل مشترک کانال اصلی و سیلاب‌دشت به علت وجود لایه برشی، پتانسیل ناپایداری و آبشستگی بالا است. شناخت پارامتر-های تنش برشی بستر و مومنتوم در کانال مرکب و خصوصاً در فصل مشترک کانال اصلی و سیلاب‌دشت کمک می‌کند که محاسبات دقیق-تری در ارتباط با حفاظت بستر رودخانه و تعیین روش‌های محافظتی صورت پذیرد. در این پژوهش به کمی‌سازی پارامتر‌های تنش برشی بستر و مومنتوم جریان در شرایطی که کانال مرکب، طول تکیه‌گاه پل در سیلاب‌دشت و نوع دیوار هدایت به صورت هم‌زمان بر الگوی جریان تاثیر گذار هستند، پرداخته شده است.
مواد و روش‌ها: در تحقیق حاضر با استفاده از تحلیل عددی سه‌بعدی به بررسی تنش برشی بستر و اختلاف مومنتوم بین سیلاب-دشت و کانال اصلی در یک کانال مرکب ذوزنقه‌ای متقارن با استفاده از نرم‌افزار FLOW-3D پرداخته شده است. پس از تایید صحت عملکرد مدل مذکور با استفاده از نتایج آزمایشگاهی موجود، تنش برشی بستر و اختلاف مومنتوم بین سیلاب‌دشت و کانال اصلی برای طول‌های مختلف تکیه‌گاه پل و در حالت‌های با و بدون دیوار هدایت بیضوی شکل مورد بررسی قرار گرفته است.
یافته‌ها: تنش برشی بستر در حالت با دیوار هدایت بیضوی شکل نسبت به حالت بدون دیوار هدایت، در کانال اصلی افزایش و در سیلاب‌دشت کاهش یافته است. تنش برشی در کانال اصلی تا 5/25 درصد افزایش و در سیلاب‌دشت تا 6/36 درصد کاهش یافته است. همچنین اختلاف مومنتوم در حالت با دیوار هدایت بیضوی شکل نسبت به حالت بدون دیوار هدایت تا مقدار 5/78 درصد افزایش یافته است.
نتیجه‌گیری: از نتایج قابل توجه این است که در حالت تکیه‌گاه با دیوار هدایت بیضوی، تنش برشی بستر در سیلاب‌دشت کاهش می-یابد که باعث بهبود شرایط در محل تکیه‌گاه پل می‌گردد ولی افزایش تنش برشی در کانال اصلی باعث می‌شود که شرایط پایه‌هایی که در کانال اصلی قرار می‌گیرند بحرانی‌تر گردد. همچنین در حالت تکیه‌گاه با دیوار هدایت بیضوی شکل اختلاف مومنتوم بین سیلاب‌دشت و کانال اصلی نسبت به حالت تکیه‌گاه بدون دیوار هدایت افزایش می‌یابد که این امر باعث افزایش تنش برشی و ایجاد گردابه‌ها در فصل مشترک کانال اصلی و سیلاب‌دشت می‌گردد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical Modeling of the Effect of Abutment Length in the Floodplain on Bed Shear Stress and Flow Momentum

نویسندگان [English]

  • Amir Mahjoob 1
  • Foad Kilanehei 2
  • Saeed Safaei 3
1 Assistant Professor, Road, Housing and Urban Development Research Center,
2 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
3 Msc. Student of Water and Hydraulic Structures, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
چکیده [English]

Background and Objectives: As the water level rises in the main channel and crosses the floodplain boundary, because of different roughness coefficient and velocity between the main channel and the floodplain, the flow in the main channel move more acceleration than the flow in the floodplains and there will be strong momentum exchange between the flows in the intersection of the main channel and the floodplain. This exchange generates vortices in the intersection of the main channel and the floodplain. Momentum exchange reduces the high velocity flow energy of the main channel and adds to the low velocity flow energy of the floodplain. Momentum exchange also reduces the discharge of the main channel, increasing the discharge of the floodplain and decreasing river transmission capacity. At intersection of the main channel and the floodplain, due to the shear layer, the potential for instability and scour are high. Understanding parameters of the bed shear stress and momentum in the compound channel especially in the intersection of the main channel and floodplain make more accurate calculations related to the protection of the riverbed and determine the protection methods. In this study, the parameters of bed shear stress and flow momentum are quantified in conditions where the compound channel, bridge abutment length in the floodplain and the type of guide-wall simultaneously affect the flow pattern.

Materials and methods: In the present study, three-dimensional numerical analysis is performed to investigate the bed shear stress and momentum exchanging between the floodplain and the main channel in a symmetric trapezoidal compound channel by using FLOW-3D. After validating of the mentioned model, the bed shear stress and momentum exchange between the floodplain and the main channel for different bridge abutment lengths in cases with and without elliptical guide-wall have been investigated.

Results: The bed shear stress in the case with the elliptical guide wall has increased in the main channel and decreased in the floodplain compared to without guide-wall. Shear stress in the main channel has increased to 25.5% and decreased to 36.63% in the floodplain. The momentum exchange in the elliptical guide-wall case has increased up to 78.5% compared to without guide-wall case.

Conclusion: One of the remarkable results is that the bed shear stress in the floodplain decreases in the case of abutment with the elliptical guide-wall which improves the conditions at the bridge abutment. But increase the shear stress in the main channel causes the conditions of the abutment located in the main channel become more critical. Also, in the case of abutment with the elliptical guide-wall, the momentum exchange between the floodplain and the main channel increases compared to in the case of abutment without the guide wall, which increases the shear stress and creates vortices at intersection of the floodplain and the main channel.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Momentum Exchange
  • Bridge abutment
  • Bed Shear Stress
  • Compound Channel
  • Flow-3D
1.Cao, Z., Meng, J., Pender, G., and Wallis, S. 2006. Flow resistance and momentum flux in compound open channels. J. Hyd. Eng. 132: 12. 1272-1282.
2.Houshmandi, F., Zahiri, A.R., Dehghani, A.A., and Meftah Halaghi, M. 2015. Comparison of methods for estimating shear stress distribution in width ofopen channels. J. Water Soil Cons.
21: 5. 285-295. (In Persian)
3.Kara, S., Stoesser, T., and Sturm, T.W. 2012. Turbulence statistics in compound channels with deep and shallow overbank flows. J. Hyd. Res. 50: 5. 482-493.
4.Kilanehei, F., and Montazeri Namin, M. 2016. Instruction Manual for Design, Construction and Maintenance of Bridge Guide Walls. Road, Housing and Urban Development Research Center Press, 171p. (In Persian)
5.Kocama, S. 2014. Prediction of backwater profiles due to bridges in a compound channel using CFD. Adv. Mech. Eng.6: 1. 1-9.
6.Kozioł, A. 2013. Three-dimensional turbulence intensity in a compound channel. J. Hyd. Eng. 139: 8. 852-864.
7.Molinas, A., Kheireldin, K., and Wu, B. 1998. Shear stress around vertical wall abutments. J. Hyd. Eng. 124: 8. 822-830.
8.Reinaldo, M., and Robert, E. 2013. Insights from depth-averaged numerical simulation of flow at bridge abutmentsin compound channels. J. Hyd. Eng.139: 5. 470-481.
9.Sadiq, A. 1994. Clear-water scour around bridge abutments in compound channel. Ph. D. dissertation, University of Georgia, Atlanta.
10.Shiono, K., and Knight, D.W. 1991. Turbulent open-channel flows with variable depth across the channel. J. Fluid Mech. 222: 1. 617-646.
11.Tominaga, A., and Nezu, I. 1991. Turbulent structure in compoundopen-channel flows. J. Hyd. Eng.117: 1. 21-41.
12.Truong, S.H., and Uijttewaal, W.S. 2019. Transverse momentum exchange induced by large coherent structures in a vegetated compound channel. Water Resources Research. 55: 589-612.
13.Van Prooijen, B.C., Battjes, J.A.,and Uijttewaal, W.S. 2005. Momentum exchange in straight uniformcompound channel flow. J. Hyd. Eng. 131: 3. 175-183.