27256

مطالعه ساختارهاي جريان آشفته بر روي شكل بستر سه بعدي برآمده و فرورفته با در نظر گرفتن تغيير عرض آبراهه

دكتري تخصصي

مهندسي عمران، گرايش آب و سازه هاي هيدروليكي

1401/07/20

دكتر حسين افضلي مهر

مهندسي عمران

شكل هاي بستر برآمده و فرورفته در مسيرهاي مستقيم رودخانه ها و كانال هاي طبيعي ناشي از ناپيوستگي در مقطع جريان و بستر رودخانه ها تشكيل مي شود. يكي از مهم‌ترين مسائل مهندسي رودخانه، شناخت عوامل تأثيرگذار بر جريان در حضور شكل هاي بستر مي باشد. هدف مطالعه حاضر بررسي تأثير شكل بستر متوالي برآمده و فرورفته و تعامل آن با تنگ شدگي ديواره-ها بر ويژگي هاي ساختار جريان آشفته مي باشد. بدين منظور، به مطالعه ميداني رودخانه بابلرود و مدل‌سازي آزمايشگاهي كانال با عرض متغير پرداخته شد و اثر تغييرات عرض كانال برخصوصيات جريان شامل سرعت، تنش برشي و مؤلفه‌هاي آشفتگي بررسي گرديد. نتايج مطالعات ميداني در رودخانه بابلرود نشان داد كه بيشترين مقادير سرعت ميانگين راستاي جريان و سرعت هاي نزديك به بستر براي شكل بستر فرورفته وجود داشته است كه به ترتيب 59 و 22 سانتي متر بر ثانيه در محور مركزي بوده است و حاكي از رخداد سرعت معكوس در اين ناحيه مي باشد. همچنين نتايج نشان داد كه در نيمرخ تنش برشي بستر در راستاي جريان، تغيير فازي در نيمرخ تنش برشي بستر رخ‌داده است، بدين معني كه در ناحيه تاج شكل بستر برآمده پايين دست، نيمرخ تنش برشي يك گراديان منفي و در شكل بستر فرورفته ناحيه اي با گراديان مثبت در نيمرخ تنش برشي مشاهده گرديد. بررسي نمودارهاي خطوط تراز مؤلفه عمودي سرعت نشان داد كه اين پارامتر در محور مركزي كانال به سمت پائين و در جداره هاي كانال به سمت بالا جهت گيري كرده اند كه نشان از همگرايي جانبي جريان دارد. همچنين يافته هاي آناليز كوادرانت نشان داد كه در قسمت هاي مختلف شكل بستر، در نزديكي سطح آب واقعه جاروب و در نزديكي كف بستر واقعه جرقه غالب بوده است. بررسي ساختار جريان در حالت عرض متغير و عمق 20 سانتي‌متر نشان داد كه موقعيت سرعت حداكثر در پروفيل سرعت، در ناحيه جريان كندشونده و بخش مياني شكل بستر فرورفته، برخلاف عمق 14 سانتي متر در زير سطح آب واقع شده است. روند توزيع سرعت در پروفيل‌ها از بستر تا سطح آب، اغلب روند صعودي است و همچون نتايج مربوط به عمق 14 سانتي‌متر، در قسمت مياني شكل بستر توزيع S شكل سرعت در عمق جريان مشاهده مي‌شود. با مقايسه مقادير حداكثر سرعت طولي در سه راستا در دو حالت عمق جريان 20 و 14 سانتي‌متر، مشاهده شد كه مقادير اين سرعت‌ها در حالت عمق 14 سانتي‌متر ، بيشتر از حالت عمق جريان 20 سانتي‌متر است. دليل اين امر را مي‌توان كاهش سطح مقطع جريان در دبي ثابت و در نتيجه افزايش سرعت ها دانست. همچنين با مقايسه نتايج در دو حالت عمق جريان 20 و 14 سانتي‌متر، نتايج نشان مي‌دهد كه به‌طوركلي مقادير شدت آشفتگي در مقاطع مختلف بر روي شكل بستر، با كاهش عمق جريان از 20 به 14 سانتي‌متر، افزايش مي‌يابد كه علت آن افزايش نوسانات سرعت در اثر افزايش عدد فرود جريان و تاثير زبري بستر بر جريان آشفته دانست. همچنين مقادير تنش برشي رينولدز در مقاطع مختلف بر روي شكل بستر، با كاهش عمق جريان از 20 به 14 سانتي‌متر، كاهش مي¬يابد. با مقايسه نتايج آزمايش هاي بدون تغييرات عرض كانال و حالت عرض متغير در دو عمق 20 و 14 سانتي‌متر ملاحظه شد كه الگوي مشابهي در تغييرات مقادير حداكثر سرعت از سمت محور مركزي به سمت ديواره كانال وجود دارد. همچنين مقادير حداكثر سرعت، به‌طوركلي در هر سه راستاي طولي، در حالت عرض متغير بيشتر از حالت عرض ثابت مي‌باشد. اين مقادير در محور مركزي برابر با 23/4 و 34 سانتي متر بر ثانيه به ترتيب براي عمق 20 و 14 سانتي متر در حالت عرض متغير و برابر با 11/6 و 19/1 سانتي متر بر ثانيه در عمق 20 و 14 سانتي متر در حالت عرض ثابت مي باشد. با مقايسه تنش برشي رينولدز در حالت با مانع و بدون مانع مشاهده شد كه تنش‌هاي برشي در حالت عرض متغير و عمق 20 سانتي‌متر، داراي مقادير بزرگ‌تري مي‌باشد.

1401/08/03

Study of turbulent Flow Structures on Three Dimensional Bed-forms Considering Stream Width Change

10/12/2023 12:00:00 AM

Pool and riffle bedforms are generally formed by discontinuity of the cross-section and bed in the river reach and natural channels. One of the leading issues of river engineering is the understanding of the effective factors on the flow structure with presence of bedforms. The main purpose of this research is to investigate the effects of bedfroms and width change on the turbulent flow structures. For this aim, field and experimental measurements were performed and the effects of width change on flow structures, including velocity, shear stress, and turbulent components were investigated. The results of field measurements showed that the maximum streamwise and near-bed velocity occurred in the pool, with values of 59 and 22 cm/s respectively, showing velocity reversal in this region. Moreover, a phase shift was observed in the bed shear stress profile. According to quadrant analysis, the events of sweep and ejection were dominant near the water surface and bed layer, respectively. In the case of depth of 20 cm with presence of width change, the maximum velocity in the decelerating flow and middle of the pool was occurred below the water surface. The velocity profiles had ascending trend in all modes. Also, the maximum streamwise velocity values for depth 14 cm were more than depth 20 cm in all three sections, due to decreasing the cross section areas in equal discharge. The values of turbulence intensity in different sections increase with decreasing the depth from 20 cm to 14 cm, due to increasing the velocity fluctuations, as a result of increase of Froud number and the impact of bed roughness. Besides, Reynoldz shear stress values dropped with decreasing the depth. Comparing the results of two setups, it was showed that the maximum velocities and shear stresses in case of width change were more than fixed width. In the case of variable-width channel, the maximum velocity in the central axis was equal to 23.4 and 34 cm/s in depth of 20 and 14 cm, in a respective order. These values were equal to 11.6 and 19.1 cm/s in depth of 20 and 14 cm, respectively, in the case of constant width

آناليز كوادرانت , تغيير عرض كانال , رودخانه شني , ساختار جريان آشفته , شكل بستر فرورفته و برآمده

Bedforms , Channel width change , gravel-bed rivers , Quadrant analysis , turbulent flow structure

Ehsan Shahiri Tabarestani

Hossein Afzalimehr