شدت آشفتگی و تنش برشی جداره در کانال مرکب پیچان تحت اثر تغییر ضریب خمیدگی

نوع مقاله : مقاله عمران

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی عمران-آب و سازه های هیدرولیکی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ارومیه

2 دانشیار مهندسی عمران- هیدرولیک و مکانیک مهندسی رودخانه، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه ارومیه.

3 استادیار، گروه مهندسی آب، دانشگاه زنجان

10.22075/jme.2019.18692.1776

چکیده

کانال های مرکب مقاطع هیدرولیکی می باشند که از دو بخش کانال اصلی و سیلاب دشت تشکیل یافته اند. در رودخانه های پیچان، با گذشت زمان و حرکت جانبی پیچ ها، میزان پیشروی قوس بیرونی افزایش یافته و مقدار سینوسیتی یا خمیدگی در پلان گسترش می-یابد. در این رودخانه ها، انحنای بخش های پیچان با پارامتر بی بعدی به نام عدد سینوسیتی تعریف می شود که عبارت از نسبت طول پیچان کانال اصلی به طول دشت سیلابی می باشد. با افزایش عدد سینوسیتی، شیب، سرعت جریان و ظرفیت انتقال دبی رودخانه کاهش می یابد. در نتیجه، خطر سیلابی شدن به طور قابل توجهی افزایش یافته و در هنگام بروز سیلاب، سطح آب از مقطع اصلی رودخانه فراتر رفته و وارد دشت های سیلابی آن می شود. آگاهی از توزیع تنش برشی جداره و شدت آشفتگی جریان در عرض رودخانه برای پیش بینی تغییرات هندسی مقطع و مورفولوژی بستر ضرروی است. در این تحقیق با استفاده از نرم افزارFlow3D که یک نرم افزار قوی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی می باشد، به بررسی توزیع سرعت در نزدیک بستر، تنش برشی جداره، شدت و انرژی آشفتگی درکانال اصلی پیچان رود تحت تاثیر اعداد سینوسیتی مختلف پرداخته شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی عددی نشان می دهد که با افزایش عدد سینوسیتی کانال از 1 به 1/641، سرعت در نزدیکی بستر و تنش برشی کاهش یافته و شدت و انرژی آشفتگی افزایش می یابد، به طوری که حداکثر مقدار پارامترهای فوق در تمامی کانال مرکب پیچان در قوس داخلی رخ می دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Turbulence Intensity and Boundary Shear Stress in Meandering Compound Channel under the Influence of Sinusoidal Changes

نویسندگان [English]

  • mohammad naghavi 1
  • Mirali Mohammadi 2
  • Ghorban Mahtabi 3
1 Ph.D. Candidate in Civil Eng. Water & Hydraulic Structures, Department of Civil Engineering, Faculty of Eng., Urmia University.
2 Associate Professor in Civil Eng. Hydraulics & River Eng. Mechanics, Department of Civil Engineering, Faculty of Eng., Urmia University.
3 Assistant Professor in Water Engineering, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, University of Zanjan.
چکیده [English]

Compound channels are consisting of two hydraulic sections namely main channel and floodplain. In meandering rivers, with the passage of time and lateral movement of the meanders, the external bending progression and the sinusoidal or curvature is increased. The curvature of meandering sections can be defined by a dimensionless parameter as the sinusoidal number which is the ratio of meandering length of main channel to the floodplain length. In this research work, the hydraulic characteristics of flow including the velocity magnitude, boundary shear stress, turbulence intensity and turbulence energy of the main channel along the meandering compound channel have been investigated numerically, regarding changes in the sinusoidal ratio for six types of channels with different sinusoidal ratios. In order to investigate the effect of sinusoidal ratio in meandering compound channels on the hydraulic characteristics of the flow, the FLOW3D software is applied. Numerical simulation results show that by increasing the channel sinusoidal number from 1 to 1.641, the velocity and bed shear stress decrease and the turbulence intensity and energy increases. So that the maximum value of the above parameters occurs in the inner arc.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Compound Channel
  • Meandering
  • Sinusoidal No
  • Boundary Shear Stress
  • Turbulence intensity
  • Flow3D
[1] J. W. Kean, R. A. Kuhnle, J. D. Smith, C. V. Alonso, and E. J. Langendoen, "Test of a method to calculate near-bank velocity and boundary shear stress", Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 135, No.7, 2002, pp. 588-601.
[2] M. Muste, and R. Ettema, "Scale effects in flume experiments on flow around a spur dike in flat bed channel", Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 130, No. 7, July 2004, pp. 635- 646.
[3] A. E. González, and F. A. Bombardelli, "Two phase flow theoretical and numerical models for hydraulic jumps including air entrainment", XXXI IAHR Congress, Seoul, Korea, 2005.
[4] حمید شاملو و پویا جعفری، "بررسی اثر زبری کف در الگوی جریان اطراف پایه پل به کمک نرم‌افزار Flow3D"، کنگره مهندسی عمران، تهران، ایران، 17 تا 19 اردیبهشت، دوره 4، 1387.
[5] A. Acharya, "Experimental study and numerical simulation of flow and sediment transport around a series of spur dikes", PhD Thesis, Graduate College, University of Arizona, 2001.
[6] B. W. Walsh, and J. A. Vasquez "CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow", 33rd IAHR Congress of Water Engineering for a Sustainable Environment, Vancouver, British Columbia, Canada, 2009.
[7] G. H. Toebes and A. A. Sooky, "Hydraulics of meandering rivers with flood plains", ASCE J. of Waterways and Harbors, 1967, Vol. 33, pp. 213–236.
[8] W. Myers, "Momentum transfer in a compound channel", Journal of Hydraulic Research, IAHR, 1978, Vol. 16, pp. 139-150.
[9] P. Wormleaton, J. Allen, and P. Hadjipanos, "Discharge assessment in compound channel flow", ASCE Journal of Hydraulics Division, 1982, Vol. 108, pp.975-994.
[10] D. W. Knight, and J. D. Demetriou, "Flood plain and main channel flow interaction", ASCE Journal of Hydraulic Engineering, 1983, Vol. 109, No. 8, pp. 1073–1092.
[11] D. W. Knight, and E. Mohammed, "Boundary shear in symmetrical compound channels", ASCE Journal of Hydraulic Engineering, 1984, Vol. 110, pp. 1412-1430.
[12] K. Shiono, and D. W. Knight, "Turbulent open-channel flows with variable depth across the channel", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 222, pp. 617-646, 1991.
 [13] Y. Kawahara, and N. Tamai, "Mechanism of lateral momentum transfer in compound channel flows", XXXIII 1AHR Congress, Ottawa, Canada, pp. 463-470, 21-25 August, 1989.
[14] G. Kiely, "Overbank flow in meandering channels the important mechanisms", International Conference on River Flood Hydraulics, pp. 207-217, 1990
[15] R. H. J. Sellin, and B. B. Willetts, "Three-dimensional structures, memory and energy dissipation in meandering compound channel flow, floodplain processes". Edited by Anderson, M. G. Walling, D. E. and Bates, P. D. Chichester, England, John Wiley & Sons, 1996.
[16] J. Spooner, and K. Shiono, "Compound meandering channels with overbank flow", Water and Maritime Engineering, Vol. 156, No. 3, 2003, pp. 225-233.
[17] M. De Marchis, and E. Napoli, "The effect of geometrical parameters on the discharge capacity of meandering compound channels", Advances in Water Resources, Vol. 31, 2008, pp. 1662–1673.
[18] P. Rameshwaran, X. Sun, K. Shiono, J.H. Chandler, and R. H. J. Sellin, "The modelling of compound channel flow: Physical model of River Blackwater", Wallingford, UK, 2008.
[19] K. S. Mushatet, "Simulation of turbulent flow and heat transfer over a backward-facing step with ribs turbulators", Thermal Science, Vol. 15, No. 1, 2011, pp. 245-255.
[20] C. Liu, N. Wright, X. Liu, and K. Yang, "An analytical model for lateral depth-averaged velocity distributions along a meander in curved compound channels", Advances in Water Resources, Vol. 74, 2014, pp. 26–43.
[21] C. Liu, Y. Shan, X. Liu, and K. Yang, "Method for assessing stage-discharge in meandering compound channels", ICE-Water Management, Vol. 169, No. 1, 2016, pp. 17-29.
[22] C. Liu, Y. Shan, X. Liu, K. Yang, and H. Liu, "The effect of floodplain grass on the flow characteristics of meandering compound channels", Journal of Hydrology, Vol. 542, 2016, pp. 1-17.
[23] Y. Shan, X. Liu, K. Yang, and C. Liu, "Analytical model for stage-discharge estimation in meandering compound channels with submerged flexible vegetation", Advances in Water Resources, Vol. 108, 2017, pp. 170–183.
[24] Y. Shan, S. Huang, C. Liu, Y. Guo, and K. Yang, "Prediction of the depth-averaged two-dimensional flow direction along a meander in compound channels", Journal of Hydrology, Vol. 565, 2018, pp. 318–330.
[25] مهدی اژدری مقدم و مهنا تاج نسایی، "مدل­‏سازی عددی سلول‏­های جریان ثانویه در کانال­‏های ذوزنقه­ای با زبری یکنواخت"، نشریه مدل­‌سازی در مهندسی، دوره 8، شماره 20، بهار 1389، صفحه 57- 70.
[26] مسعود ضیائی راد و ابوالفضل جعفری ندوشن، "بررسی عددی تأثیر هندسه دندانه­های روی سطح بر جریان آشفته و انتقال حرارت در یک کانال مستطیلی"، نشریه مدل­‌سازی در مهندسی، دوره 9، شماره 27، زمستان 1390، صفحه 37-48.
[27] مجید اکبریان کاخکی، "بررسی عددی توزیع تنش برشی در کانال­های رو­باز با استفاده از نرم افزار FLOW3D"، پایان­نامه کارشناسی ارشد مهندسی عمران، دانشگاه فردوسی مشهد، بهمن 1394.
[28] شادی نجفیان، حجت الله یونسی، عباس پارسایی و حسن ترابی پوده، " مدل­سازی فیزیکی و عددی هیدرولیک جریان در مقاطع مرکب با سیلاب دشت­های غیر­منشوری و زبر"، نشریه تحقیقات کاربردی مهندسی سازه­های آبیاری و زهکشی، جلد 17، شماره 66، 1395، صفحه 87-104.
[29] شادی نجفیان، حجت الله یونسی، عباس پارسایی و حسن ترابی پوده، "مدل­سازی عددی و فیزیکی خصوصیات جریان در کانال مرکب منشوری با زبری نا­همگن"، نشریه تحقیقات مهندسی سازه­های آبیاری و زهکشی، جلد 18، شماره 68، 1396، صفحه 1-16.
[30] مهدی کرمی مقدم و تورج سبزواری، "تأثیر پوشش گیاهی بر تنش برشی و سرعت جریان در کانال مرکب با استفاده از مدل Flow3D"، نشریه هیدرولیک، دوره 12، شماره 3، پاییز 1396، صفحه 29-40.
[31] فرزاد درویش مجنی، "شبیه­سازی هیدرولیک جریان و انتقال رسوب در مقاطع مرکب مستقیم با استفاده از FLOW3D"، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه فردوسی مشهد، بهمن 1396.
[32] سهراب سعید گلانیک و میرعلی محمدی، "بررسی عددی مشخصه­ های هیدرولیکی جریان در کانال­‏های مرکب منشوری پیچان با مدل Flow3D"، کنگره بین­المللی عمران معماری و توسعه شهری، تهران، ایران، 5 تا 7 دی، دوره 5، ۱۳۹۶.
[33] محمد محسن شاه مردان و محمود نوروزی، "بررسی عددی تأثیر گردابه­‏ها بر روی افت فشار و تلفات جریان در داخل کانال با انبساط تدریجی صفحه­ای"، نشریه مدل­‌سازی در مهندسی، دوره 15، شماره 48، بهار 1396، صفحه 45- 60.