30120

تأثير توأمان تغيير عرض متقارن كانال و پوشش گياهي غيرمستغرق ديواره بر آستانه حركت ذرات رسوب

دكتري تخصصي

مهندسي عمران

1398

1402/08/10

حسين افضلي مهر

عمران

حركت اوليه ذرات رسوب بستر يك جنبه اساسي از مكانيك رودخانه است كه براي بسياري از مسائل تحقيقاتي مانند طراحي كانال¬هاي پايدار، آبشستگي بسترهاي رودخانه و انتقال رسوب كاربرد دارد. از آنجايي¬كه در محل¬هاي تغيير عرض رودخانه¬ها و همچنين در محل حضور پوشش¬هاي گياهي، الگوهاي فرسايش و رسوب¬گذاري دچار تغيير مي¬شوند، لذا مطالعه شروع حركت ذرات رسوب در حضور پوشش گياهي و تغيير عرض كانال، ضروري است. هدف مطالعه حاضر، بررسي تأثير توأمان تغيير عرض كانال و پوشش گياهي غيرمستغرق جداره بر آستانه حركت ذرات رسوب است. بدين منظور، به مدل‌سازي آزمايشگاهي پرداخته شد و اثر تغييرات عرض كانال و پوشش گياهي جداره بر خصوصيات جريان، شامل سرعت، تنش برشي و مؤلفه‌هاي آشفتگي در شرايط آستانه حركت ذرات رسوب بررسي گرديد. به¬منظور ايجاد تغيير عرض، از موانع نيم¬بيضي در دو طرف فلوم به¬صورت كاملاً متقارن استفاده شد و پوشش گياهي ني به¬عنوان پوشش گياهي غيرمستغرق، به اين موانع چسبانده شد. آزمايش¬ها با استفاده از سه گروه ذرات رسوب و سه شيب طولي بستر صورت پذيرفت. اندازه¬گيري¬هاي مؤلفه¬هاي سرعت در 20 سري آزمايش مختلف توسط دستگاه سرعت¬سنج صوتي برداشت شد. نتايج نشان داد كه پوشش گياهي در ديواره كانال باعث تشكيل لايه¬هاي برشي مختلفي مي¬گردد و وضعيت اين لايه¬ها به¬ويژه در نزديكي پوشش گياهي بسيار پيچيده است؛ به-طوري¬كه توزيع تنش برشي رينولدز داراي چهار ناحيه است و توزيع Zشكل دارد. اين در حالي است ¬كه در حالت عدم حضور پوشش گياهي، تنش¬هاي برشي رينولدز داراي توزيع Zشكل نمي¬باشد و مقادير بيشينه تنش برشي در ارتفاع كمتري از بستر رخ مي¬دهد. حضور توأمان پوشش گياهي جداره و تغيير عرض كانال باعث ايجاد توزيع Zشكل تنش برشي حتي در محور مركزي كانال شده است، در حالي¬كه در حضور پوشش گياهي جداره در كانال مستقيم، اين نوع توزيع تنها به محور نزديك به جداره محدود شده است. در مطالعه حاضر، سرعت برشي و تنش برشي بستر با استفاده از روش¬هاي مختلف (مشخصات لايه‌مرزي، رينولدز و كلازر) محاسبه و مقايسه شد. نتايج حاكي از همخواني نسبي نتايج اين روش¬ها با يكديگر و اعتبار برآورد مقادير سرعت برشي و تنش برشي آستانه است. همچنين با برون¬يابي نيمرخ¬هاي سرعت به سمت بستر، مقادير سرعت آستانه در مجاور بستر بدست آمد. در آزمايش¬هاي كانال با عرض متغير و در هر دو حالت حضور و عدم حضور پوشش گياهي جداره، با افزايش قطر ذره رسوب، سرعت و تنش برشي آستانه در هر سه شيب، افزايش يافته است. از سوي ديگر، در آزمايش¬ها بر روي كانال با عرض متغير در حضور پوشش گياهي در هر سه گروه ذرات، با افزايش شيب طولي بستر، مقادير سرعت و تنش برشي آستانه كاهش يافته است. برخلاف اين مشاهدات، در آزمايش¬هاي مربوط به كانال بدون پوشش گياهي جداره، با افزايش شيب بستر، مقادير سرعت و تنش برشي آستانه براي دو ذره با قطر كوچك‌تر افزايش مي¬يابد كه علت اصلي آن را مي¬توان غالب بودن اثر گراديان فشار بر نيروي جاذبه ذرات بستر دانست. همچنين نتايج حاكي از مقادير بزرگ‌تر سرعت و تنش برشي آستانه در حالت بدون پوشش گياهي نسبت به حضور پوشش گياهي جداره مي¬باشد. علت اصلي اين امر، تأثير آشفتگي جريان ناشي از حضور پوشش گياهي بر حركت ذرات تشكيل¬¬دهنده كف بستر مي¬باشد. علاوه بر اين، در آزمايش بر روي كانال مستقيم و بدون حضور پوشش گياهي، به دليل عدم وجود عامل آشفتگي خارجي، سرعت و تنش برشي بيشتري براي به-حركت درآوردن ذرات بستر نياز است. به¬طور خلاصه، در شرايط يكسان (قطر ذره يكسان و شيب طولي صفر) حضور توأمان تغييرات عرض و پوشش گياهي منجر به افزايش شدت آشفتگي و كاهش سرعت آستانه حركت ذرات رسوب مي¬شود. نتايج آناليز كوادرانت نشان داد كه در تمامي سري¬هاي آزمايش و در شرايط آستانه حركت با بستر متحرك، احتمال رويداد جاروب با نزديك شدن به بستر افزايش مي¬يابد؛ به¬طوري¬كه درz/h<0.05 پديده جاروب سهم بيشتري از تنش برشي بستر را در شرايط آستانه حركت ذرات رسوب به خود اختصاص داده و تبديل به رويداد غالب در شرايط آستانه حركت شده است.

1402/09/05

The Simultaneous effect of symmetrical width change and emergent vegetation of the bank on the threshold movement of sediment particles

10/31/2024 12:00:00 AM

The initial movement of sediment particles is a fundamental aspect of river mechanics, which is used for many issues, such as the design of stable channels, scouring of river beds, and sediment transport. Since the erosion and sedimentation patterns change in the places where the width of the rivers changes and also in the presence of vegetation, therefore, the study of the initial movement of sediment particles in the presence of vegetation and the channel-width change is of importance. The aim of the present study is to investigate the simultaneous effect of changing the channel width and emergent vegetation on the threshold movement of sediment particles. For this purpose, laboratory modeling was carried out and the effect of changes in channel width and wall vegetation on flow characteristics, including velocity, shear stress and turbulence components under conditions of threshold movement of sediment particles was investigated. In order to change the width, semi-elliptical barriers were used on both sides of the flume, symmetrically, and array of reeds was employed as emergent vegetation. Experiments were conducted using three classes of sediment particles and three longitudinal slopes of the bed. The measurements of the velocity components were taken in 20 different test series by Acoustic Doppler velocimetry. The results showed that the vegetation on the channel wall causes the formation of various shear layers and the condition of these layers is very complex especially near the vegetation; so the distribution of Reynolds shear stress has four regions and the distribution is Z-shaped. This is despite the fact that in the absence of vegetation, the Reynolds shear stresses do not have a Z-shaped distribution and the maximum values of the shear stress occur at a lower depth from the bed. The simultaneous presence of wall vegetation and channelwidth change caused the Z-shaped distribution of shear stress even in the central axis of the channel, while in the presence of wall vegetation in the straight channel, this type of distribution is limited only to the axis close to the wall. In the current research, shear velocity and bed shear stress were calculated and compared using different methods (including boundary layer characteristics, Reynolds and Clauser). The results indicate the relative consistency of the results of these methods with each other and the validity of estimating the values of threshold shear velocity and shear stress. Also, by extrapolating the velocity profiles towards the bed, the threshold velocity values near the bed were obtained. In experimental tests on the variable width and in both the presence and absence of the wall vegetation, the threshold velocity and shear stress increased in all three bed slopes, by increasing the particle size. On the other hand, in experiments on the channel with variable width in the presence of vegetation in all three sediment particles, the threshold values of velocity and shear stress decreased, by increasing the longitudinal bed slope. Contrary to these observations, in the experiments related to the channel without wall vegetation, the threshold values of velocity and shear stress for two particles with a smaller diameter increase, with the increase of the bed slope. The main reason of this phenomenon can be the predominance of the pressure gradient effect over the gravity effect. Also, the results indicate greater values of threshold velocity and shear stress in the state without vegetation compared to the presence of vegetation. This is due to the turbulent flow effects on particles movements, caused by the presence of vegetation. In addition, in the experiment on a straight channel without the presence of vegetation, higher velocity and shear stress values are needed to move the bed particles, due to the absence of a turbulence factor. Briefly, under the same conditions (the same particle diameter and zero longitudinal slope), the presence of both width changes and vegetation leads to an increase in the intensity of turbulence and a decrease in the threshold velocity of the movement of sediment particles. Quadrant analysis represents that in all experimental series and in the condition of initial movements of bed particles, the possibility of the Sweep event increases by approaching the bed surface. In this regard, in z/h<0.05, the Sweep event has become the dominant bursting event in the conditions of the the threshold movement.

آستانه حركت ذرات رسوب , آناليز كوادرانت , پوشش گياهي غيرمستغرق , تغيير عرض كانال , شدت آشفتگي جريان

Initial movement of bed particles , Quadrant analysis , Emergent vegetation , Changes of channel width , Turbulence intensity of flow

Sanaz Hadian

Hossein Afzalimehr