17915

17915

مدل سازي دوفازه آبشستگي در پاي موج شكن هاي قائم و شيبدار

دكتري تخصصي

مهندسي عمران - آب

شهريور 1396

دكتر عباس يگانه بختياري - دكتر ابراهيم جباري

دكتر فاطمه حاجي وليئي

عمران

ناپايداري و تخريب موجشكنها در اثر بروز پديده آبشستگي، هزينه زيادي را براي ترميم يا جايگزيني اين سازهها ايجاد مينمايد. اندركنش توام دو فاز سيال و رسوب با ديناميك و خصوصيات متفاوت در وقوع اين پديده، مطالعه آن را به صورت يك محيط دوفازه بسيار ضروري ميسازد. مدل سازي برخورد بين ذرات رسوب، برخورد ذرات رسوب و ديوارهها و تنشهاي بين آنها، نقش مهمي در شبيهسازي عددي مكانيزم آبشستگي دارد. براي در نظر گرفتن برخوردها و تنشهاي موجود در ميدان فاز رسوب، نياز به توسعه مدلي بر اساس ديدگاه لاگرانژي است كه توانايي شبيهسازي جريانهاي ذرهاي محيط گسسته فاز رسوب را داشته باشد. همچنين، تركيب مدل لاگرانژي فاز رسوب با يك مدل لاگرانژي براي شبيهسازي فاز سيال كه تبادل مناسبي از اندازه حركت بين فازها را برقرار نمايد، بسيار ضروري است. عدم استفاده از شبكه بندي در اين گونه از مدلسازي، مشكلاتي نظير حل مسائل با هندسههاي پيچيده و جريانهاي با سطح آزاد را تسهيل ميكند. علاوه بر آن، مدل دوفازه ذرهاي بر اساس ديدگاه لاگرانژي، با انعطافپذيري بالاي خود ، قابليت تركيب بهتري را با يكديگر داشته و در نظر گرفتن اندركنش بين فازها در آن آسان تر صورت مي گيرد . بنابراين، توسعه و استفاده از يك مدل لاگرانژ-لاگرانژي بر اساس روشهاي عددي ذره اي، رويكرد بسيار خوبي در شبيه سازي و مطالعه مكانيزم پديده آبشستگي با جريان هاي سطح آزاد و جريان هاي ذره اي رسوبات است. در اين تحقيق براي اولين بار، با توسعه يك مدل عددي دوفازه لاگرانژ -لاگرانژي ، فرآيند وقوع پديده آبشستگي در پاي موجشكنهاي قائم و شيبدار به صورت دوبعدي و سيستماتيك مطالعه شده است . در مدل دوفازه حاضر، فاز سيال از طريق حل معادلات بقاي جرم و اندازه حركت (ناوير-استوكس) به كمك توسعه يك روش ذرهاي لاگرانژي بنام هيدروديناميك ذرات هموار تراكمپذير ضعيف 1 به همراه يك مدل آشفتگي با مقياس تحت ذرهاي 2 ارائه گرديده است. فاز رسوب نيز توسط حل معادلات نيوتن به كمك توسعه يك روش ذرهاي لاگرانژي بنام شبيه ساز بستر متحرك 3 بر مبناي روش المان مجزا 4 ارائه شده است. برخورد ذرات به يكديگر و ديوارهها و تنشهاي موجود بين آنها به صورت برخورد نرمال و اصطكاكي نرم از طريق اعمال سيستم فنر-ميراگر 5 در نظر گرفته شده است. اندركنش بين دو فاز سيال و رسوب نيز به صورت نيرويي با لحاظ نيروهاي دراگ، ليفت، شناوري و جرم افزوده (اينرسي) انجام گرفته است . براي اعمال اندركنش بين فازها، از مولفههاي سرعت جريانهاي چرخشي انتقال جرم استفاده شده كه زمان و حجم بالاي محاسبات عددي را بسيار كاهش داده است. در اين تحقيق، تاثير پارامترهاي موثر بر پديده آبشستگي نظير تشكيل امواج ايستا در برابر موج شكن ها ، شيبهاي متفاوت ديواره موجشكن، مشخصات متفاوت امواج برخوردي و مشخصات متفاوت مصالح بستر با ارائه دو معيار فيزيكي و عددي براي كنترل زمان تعادل آبشستگي در نظر گرفته شده و جهت ارزيابي عملكرد مدل دوفازه، نتايج شبيهسازي عددي با نتايج آزمايشگاهي مورد صحت سنجي قرار گرفته است. ارزيابيهاي انجام شده، گوياي عملكرد مطلوب مدل حاضر در مدلسازي آبشستگي در پاي موج - شكنهاي ساحلي و فراساحلي است. نتايج عددي حاكي از آن است كه براي بستر با مصالح ريزدانه در مقابل موجشكن قائم، با كاهش نسبت عمق آب به طول موج (عمق نسبي) مقدار عمق آبشستگي افزايش يافته و توسعه زماني آن در قالب يك تابع نمايي پيش ميرود. الگويي از جريانهاي چرخشي همانند جريان چرخشي امواج ايستا در لايه تهنشست رسوب در مقابل موجشكن قائم مشاهده ميگردد كه ناشي از انتقال ممنتوم از لايههاي فوقاني است. با افزايش سرعت جريانهاي چرخشي ميزان انتقال جرم، نرخ رسوب - گذاري و طول حفره آبشستگي زياد ميشود. از طرف ديگر، براي بستر با مصالح درشت دانه، الگوي آبشستگي در اثر تغيير شيب موجشكن تفاوت زيادي را نشان ميدهد ؛ كاهش شيب ديواره موج شكن، موجب كاهش مقدار عمق آبشستگي و تغيير الگوي پروفيل بستر ميگردد. نتايج عددي نشان ميدهد كه با كاهش شيب ديواره موجشكن، زمان رسيدن به شرايط تعادل نيز كاهش مييابد؛ بنابراين با توجه به نتايج حاصله، ميتوان با ايجاد شيب در بدنه موجشكن قائم از بروز آبشستگي در مقابل اين نوع از سازه هاي دريايي تا حد زيادي جلوگيري به عمل آورد. واژه هاي كليدي: مدل دوفازه، آبشستگي، موجشكنهاي قائم و شيبدار .MBS ،WCSPH

1396/07/23

1/1/1900 12:00:00 AM

Excessive scour close to vertical breakwaters may ultimately lead to instability of these structures. Scour is caused to dig out the bed in the direct vicinity of breakwaters due to local accelerations and decelerations of the near-bed water velocities and the associated turbulence leading to an increase of the local sand transport capacity. The key mechanism of scour is the steady streaming caused by the action of partially or fully standing waves in front of vertical breakwaters. The unconstructive effect of scour has provoked many researchers to eva​luate the scour pattern via both experimental and numerical methods. However, the experimental study is rather difficult because it can be very time and space consuming, costly, and acquire the robust data is quite involved. On the other hand, the development of computer hardware and numerical solution methods has persuaded the numerical models as other good alternative to study the scour process in the vicinity of breakwaters. In this study, a Lagrangian two-phase flow model was developed to simulate the scour process in front of a vertical breakwater under action of different wave conditions. Both fluid and sediment phase were simulated by implementing two different particle-based approach. The fluid phase was simulated using two-dimensional Navier–Stokes equations based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) formulation in conjunction with the Sub Particle Scale (SPS) turbulence closure model. The sediment phase was simulated by using Newton second law via the Movable Bed Simulator (MBS) Model. The effects of interparticle and particle-wall collisions were considered with activating a spring-dashpot system. The results are verified by experimental data. Comparison between the results of two-phase flow model and experimental measurement confirms that the numerical model successfully predicts the bed configuration and maximum scour depth. The numerical model demonstrated an extra recirculating mode of sediment transport similar to the steady streaming re-circulating cells in the fluid phase, which directly affected the scour hole. The results show that by increasing the steady streaming velocity, the deposition rate and the length of scour hole were increasing. Also in this study, the previous model was developed to simulate the scour in front of breakwaters with different slopes. For coupling the fluid and the sediment phases, we used the steady streaming velocity instead of the wave orbital velocity through a one-way coupling procedure. This technique not only efficiently reduced the simulation time but also practically matched the numerical model to the experimental model. The 2D scour at the trunk section of breakwaters was estimated for the case of rough materials. Based on experimental data, a vertical-wall breakwater and two breakwater models with slopes of 1:1.2 and 1:1.75 were engaged for the numerical study of the 2D scour. Comparison between the numerical results and experimental measurement confirmed that the numerical model successfully predicted the bed configuration and maximum scour depth. It was found that the maximum scour depth of the sloped breakwater was smaller than that of the vertical breakwater case. In fact, the scour depth decreased with lowering the slope of breakwaters Moreover, two equality conditions of scour/deposition process was proposed and taken to account through a new criteria as the time changing of the mass center of sediment particles. Keywords: 2D scour, vertical and sloped breakwaters, numerical two-phase flow model, numerical particle method.