26586

بررسي تاثير تغييرات پوشش گياهي بستر بر رفتار ساختارهاي منسجم جريان آشفته در مجاري باز با بسترهاي شني

دكترا

مهندسي عمران گرايش مهندسي آب و سازه هاي هيدروليكي

1397

1401/02/17

دكتر حسين افضلي مهر

مهندسي عمران

جريان آشفته در مجاري باز يك فرآيند كاملا تصادفي نبوده بلكه برخي الگوهاي پيوسته زماني و مكاني در آنها قابل شناسايي مي‌باشند. اين الگوها با نام ساختار‌هاي منسجم در جريان آشفته شناخته شده‌اند و اثر قابل توجهي بر توزيع تنش در فرآيندهاي مجاري باز به ويژه رودخانه‌ها داشته و در نتيجه نقش مهمي در فرسايش و رسوبگذاري بستر، پديده‌هاي اختلاط، توزيع مواد مغذي و لانه گزيني آبزيان دارند. بررسي شكل‌هاي مختلف اين پديده و پارامترهاي موثر بر آن از اهميت بالايي برخوردار مي‌باشد. نحوه تاثير پوشش گياهي بستر رودخانه‌ها، به عنوان يكي از مهم ترين پارامترهاي تاثير گذار بر جريان آشفته، در سه دهه گذشته تاكنون مورد بررسي و آزمايشات محققين بوده است. از سويي ديگر پوشش گياهي تحت تاثير پارامترهاي محيطي به خصوص عوامل انساني بوده و لذا از ماهيتي به شدت تغيير پذير برخوردار است. در اين تحقيق به بررسي اثر تغييرات پوشش گياهي بستر شني بر جريان‌هاي آشفته از طريق شبيه سازي آزمايشگاهي بر اساس مشاهدات ميداني پرداخته شده است. به ‌اين منظور تغييرات ساختار‌هاي جريان در پايين‌دست يك توده گياهي در طي يك سيكل كامل كاهش تدريجي پوشش گياهي از يك مقدار اوليه (با پوشش كامل عرض بستر) به پوشش صفر (‌بستر بدون پوشش گياهي) مورد بررسي و واكاوي قرار گرفته است. شبيه سازي فرآيندهاي طبيعي به وسيله فلوم آزمايشگاهي و نمونه‌هاي گياهي مناسب با بستر شني صورت گرفته است. همچنين به منظور بررسي ساختارهاي پيوسته جريان آشفته، از آناليز داده‌هاي سرعت‌سنجي لحظه‌اي مستخرج از سيستم سرعت‌سنجي آكوستيك – داپلر (ADV ) استفاده شده است. نحوه توزيع تنش‌هاي برشي رينولدز در سيال و در ناحيه نزديك بستر، انرژي جنبشي آشفتگي ( TKE)، تنش‌هاي برشي پيوسته، آناليز چهارگانه و هشت‌گانه انتقال ‌اندازه حركت و همچنين ماهيت آشفتگي در پايين‌دست توده گياهي و براي هر تراكم خاص مورد بررسي قرار گرفته است. در نهايت روند تغييرات پارامتر‌هاي فوق مورد بررسي و تحليل قرار گرفته است. شكل‌گيري سه ناحيه دنباله ، لايه اختلاط و ناحيه برشي در پايين‌دست تمامي پوشش‌هاي گياهي مشاهده گرديد. در مجموع در منطقه پايين‌دست پوشش‌هاي گياهي با كاهش ابعاد پوشش،‌ ساختار جريان از وضعيت دو بعدي همراه با رژيم آشفته غير همگن و با تغييرات نامنظم فاز آشفتگي ، به ساختارهاي سه بعدي با رژيم آشفتگي همگن تغيير مييابند. تغييرات نامنظم فاز آشفتگي در پايين‌دست پوشش‌هاي گياهي بزرگ همبستگي قابل توجهي با رويداد‌هاي جريان بيرون‌رونده (Q1) در آناليز كوادرانت داشته‌اند. در پوشش‌هاي كوچكتر، حضور گردابه‌هاي افقي وونكارمن با فركانس رويداد متناظر با رويدادهاي هشتگانه غالب، از جمله نتايج ديگر اين تحقيق است. همچنين در حضور پوشش‌هاي گياهي، تغييرات توپوگرافي بستر در پارامترهاي شيلدز كوچكتر از پارامتر شيلدز بحراني مشاهده گرديد كه اين تغييرات بستر از نوع آبشستگي موضعي مي باشد. شدت اين تغييرات وابستگي قابل توجهي به پارامتر شدت آشفتگي داشته و با كاهش ابعاد پوشش گياهي، كاهش مييابند. از سويي ديگر پارامتر شدت آشفتگي در تمامي پوشش‌هاي گياهي و فارغ از طول و عرض پوشش در فاصله 5 الي 8 برابر ارتفاع پوشش به بيشينه مقدار خود رسيده و در فاصله حدود 12 برابر ارتفاع پوشش به شكل ناگهاني كاهش مييابند كه‌ اين كاهش با شكل‌گيري پروفيل سرعت محدب در ناحيه دنباله جريان همراه مي‌باشد. همچنين آناليز هشت‌گانه در كنار آناليز‌هاي مبتني بر سرعت فاز نشانگر وجود گردابه‌هاي وون‌كارمن در پايين‌دست پوشش‌هاي با عرض كم (‌نسبت انسداد كمتر از 0.5) است كه مي‌تواند دقت تعيين سرعت برشي و پارامتر شيلدز بستر به وسيله روش خصوصيات لايه مرزي را به شدت كاهش دهد.

1401/03/18

Investigating the Impact of Vegetation Patch Changes on the Turbulent Coherent Structures in Gravel-Bed Streams

5/7/2023 12:00:00 AM

Turbulence is not a completely random process; instead, there are some detectable spatial and temporal patterns which are known as coherent flow structures. These structures have considerable effects on the distribution of Reynolds stress in natural streams and play a key role in the sedimentation, mixing and distribution of nutrient materials and formation of aquatic flora and fauna. During the last three decades, investigation on the coherent flow structures and the related parameters has been a critical research subject. The aquatic plants not only are very sensitive to human activities and to climate change, but also they have substantial interaction with the flow structures. This research investigates the impact of vegetation patch changes on the flow structures using the field observation and the empirical experiments. A complete pattern of fade was simulated for a vegetation patch in a step by step procedure in which the dimensions of vegetation patches reduced in each step. An experimental flume was used to simulate a natural gravel-bed open channel, and synthetic elements (with close similarity to a real world vegetation patch) were used to simulate a submerged vegetation patch. Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) was used to capture instantaneous velocity vectors of the flow in various points. The outputs of ADV were used to calculate the values and distributions of Reynolds shear stress, Turbulent Kinetic Energy (TKE), coherent Reynolds shear stress, turbulence intensities and quadrant and octant occurrences of momentum transfer. These parameters were used to identify the flow structures downstream of the vegetation patch. According to the results, three flow layers were detected in the downstream region of the vegetation patch: wake layer, mixing layer and shear layer. For a relatively wide patch, the flow structures were almost 2D; however, it turns to a 3D pattern as the dimensions of the patch reduce. Highly Intermittent turbulent regime was observed in the downstream of wide patches accompanied by high frequency of outward interaction of quadrant occurrences (Q1). In the smaller patches, presence of von-Karman Vortex Street was observable. These vortexes were also detectable through 3D octant analysis in a certain frequency of particular classes of occurrences. In addition, in the presence of vegetation patches, local scouring was observed in very low Shields parameters. The extent of scouring was related to the turbulence intensity rather than the Shield parameter. However, the scouring reduces in smaller patches. In all cases, regardless of the length and width of the patches, turbulence intensity reaches its maximum value in a distance between 5Hv and 8 Hv (where Hv is the height of patch) and then reduces suddenly to a distance of 12Hv of the downstream face of patch. This phenomenon is also accompanied by formation of convex velocity profiles in the same distance. In addition, octant analysis showed that in the small patches (with blockage ratio lower than 0.5), von-Karman vortex street caused reduction of accuracy in Boundary Layer Characteristic Method (BLCM); a method which is traditionally used to determine shear velocity and Shield parameter.

masoud kazem

hossein afzalimehr