7545

7545

مد لسازي دوفازه پديده آبشستگي در مجاورت مو جشك نهاي كيسوني با استفاده از روش اويلر- لاگرانژي

دكترا

عمران گرايش آب

1390

1390

دكتر عباس يگانه بختياري

چكيده پديدة آبشستگي يكي از دلايل مهم آسيب ديدگي سازه هاي ساحلي است كه سالانه باعث صرف هزينه قابل ملاحظه اي جهت نگهداري، تعمير و جايگزين كردن آن ها مي شود. ميزان قابل توجهي از اين آسيب ها به دليل عدم آشنايي كافي با فرآيند آبشستگي و هيدروديناميك منطقه نزديك به ساحل رخ مي دهد و از اينرو با تكم يل مطالعات قابل پيشگيري است. به همين دليل در دهه ه اي اخير مبحث آبشستگي در پاي سازه هاي ساحلي از مباحث بسيار مورد توجه در مهندسي سواحل و بنادر بوده است. در بين سازه هاي ساحلي موج شكن ه ا از اهميت خاصي برخوردار هستند، آس يب دي دگي در موج شكن ها علاوه بر خسارت هاي مالي مي تواند موجب خسارت هاي جبران ناپذير جاني نيز بشود و همين موضوع بر اهميت حفظ پايداري و ثبات موج شكن ها مي افزايد. از اين بين موج شكن ه اي كيسوني به دليل شرايط خاص سازه اي، نسبت به آبشستگي پي بسيار حساس تر از ديگر انواع موج شكن ها مي باشند، با ا ي ن وجود مطالعات كاف ي در زم ينه مكان يزم آبشستگ ي در پ ي اي ن موج شكن ها و نحوه اثرگذاري عوامل موثر بر آن صورت نگرفته است. مطالعات ف يزيكي صورت گرفته به د ليل محدوديت هاي خاص مطالعات ف يزيك ي امكان شناخت كامل مكا نيزم آبشستگ ي در مقابل موج شكن هاي قائم را نداشته اند و مطالعات عدد ي انجام شده ن يز اغلب اين پد يده را به صورت يك پد يده تك فازه مورد مطالعه قرار داده اند، در حا لي كه به دل ي ل اندركنش شد يد م يدان امواج مقابل موج شكن قائم و بستر دانه اي اين پد يده كاملاً ماه يتي دوفازه دارد. از اين رو در اين رساله مطالعه مكانيزم آبشستگي در بستر ماسه اي نسبتا ريزدانه در مقابل موج شكن كيسوني قائم تحت اثر امواج ايستاده به كمك يك مدل عددي دوفازه او يلر-لاگرانژي يك طرفه مورد نظر قرار گرفته است . در مدل دوفازه ارائه شده در ا ين تحقيق فاز سيال به صورت ي ك محيط پيوسته در نظر گرفته شد و معادلات مربوط به آن در س يستم معادلات او يلري نوشته شد . در حا ليكه فاز رسوب به صورت يك مح يط نا پيوسته دانه اي در نظر گرفته شد كه د ر آن ذرات رسوب قاب ليت اندركنش و برخورد با يكديگر و فاز س يال را دارا مي باشند. معادلات حاكم بر حركت ذرات رسوب در سيستم معادلات لاگرانژي نوشته شد. براي شب يه ساز ي م يدان جر يان ناش ي از برخورد امواج به موج شكن قائم ي ك مدل دو بعد ي ب ر توسعه داده شد، در ا ي ن مدل اثرات (RANS) اساس معادلات متوسط گ يري شده نوير-استوكس مورد محاسبه قرار گرفت، تغ ييرات سطح آزاد ن ي ز به كمك k −ε ميدان آشفتگ ي به كمك مدل شب يه ساز ي شد . در مرز ورود ي يك مولد موج وظ يفه تول ي د و ارسال (VOF) روش حجم س يال امواج به داخل محدوده محاسبات ي را بر عهده داشت . به كمك ا ين مدل م ي دان امواج ايستاده ي تشكيل شده در مقابل موج شكن قائم و س يستم جريان هاي چرخش ي پ اي دار كه نقش كل ي دي درتعيين الگو ي آبشستگ ي بستر ماسه اي مقابل موج شكن را به عهده دارند به خوب ي شب يه ساز ي شد . مقايسه نت ايج بدست آمده از شب يه ساز ي امواج ايستاده و نتا يج تجر بي نشان داد كه مدل فاز س يال به خوبي از عهده شبيه سازي ميدان امواج ايستاده در مقابل موج شكن قائم برآمده است. توسعه داده شد، ا ين مدل كه توانا يي DEM در قدم بعد ي مدل لاگرانژ ي فاز رسوب بر مبنا ي مدل شبيه ساز ي برخورد ب ين ذرات و محاسبه ن يروهاي بين ذره اي را دارا است در ع ين حال مي تواند در تركيب با مدل س يال تبد يل به يك مدل دوفازه گردد كه توانا يي محاسبه اندركنش ب ين ذرات رسوب با يكديگر و همچن ين با س يالي كه در آن احاطه شده اند را به طور هم زمان داشته باشد . در اين مدل از اثرات تغيير شكل بستر بر روي ميدان جريان صرف نظر شده است . با ترك يب اين مدل و م يدان جر يان حاصل از مدل فاز س يال پد يده دوفازه آبشستگ ي بستر ماسه اي ر يزدانه در مقابل موج شكن قائم تحت اثر امواج ايستاده شب يه ساز ي شد . مقايسه نت ايج حاصل از ا ين شب يه ساز ي و نتايج تجر بي نشان داد كه مدل دوفازه توسعه يافته به خوب ي توانسته است شكل و عمق آبشستگ ي در مقابل موج شكن قائم را پ يش بيني نم ايد و در ع ين حال مكان يزم آبشستگ ي را به خوب ي شب يه سازي نمايد. نتايج بدست آمده از مدل دوفازه همچنين تاييد نمود كه جريان هاي چرخشي پايدار كليدي ترين نقش را در تعيين الگوي ب ستر تحت فرآيند آبشستگي بر عهده دارند. ذرات رسوب بستر را مي توان به چهار لايه مختلف تقسيم نمود، در پايين ترين لايه ذراتي قرار گرفته اند كه نسبتا ثابت مي باشند و در طول فرآيند آبشستگي از خود حركتي نشان نمي دهند. روي اين لايه ذراتي قرار گرفته اند كه به صورت ت وده اي و با غلظت بسيار بالا ي حركت مي كنند اين ذرات به دليل تعداد زياد برخوردهاي بين دانه اي امكان حركت عمودي ندارند و سرعت هاي عمودي آن ها در حد صفر است ، در اين ناحيه انتقال اندازه حركت عمودي بين ذرات از طريق سايش و برخورد بين ذره اي صورت مي گيرد. در روي ا ين لايه ذراتي حركت مي كنند كه حركتي آزادانه تر و غلظتي كمتر دارند و به صورت جهشي بر روي ذرات لايه زيرين حركت مي كنند. در بالاترين لايه ذراتي كه به صورت معلق در سيال درآمده اند حركت مي كنند، اين ذرات به ندرت با يكديگر برخورد مي نمايند، در اين نواحي اندازه حركت به وسيله حركت ذرات در سيال اطراف آن منتقل مي شود . در لايه هاي زيرين كه نفوذ سيال در آن ها ناچيز است و ذرات تحت اثر سرعت سيال قرار ندارند ذراتي قرار گرفته اند كه هم چنان به حركت خود ادامه مي دهند، اين ذرات بر اثر اندازه حركت انتقال يافته از ذرات متحرك لايه هاي بالايي كه تحت اثر سرعت سيال قرار دارند حركت مي كنند. اين اندازه حركت از طريق اصطكاك و برخوردهاي بين دانه اي به ذرات زيرين منتقل مي گردد.