دانشگاه آزاد اسلامی
واحد تهران جنوب
دانشکده تحصیلات تکمیلی
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
مهندسی عمران – سازه های هیدرولیکی
عنوان:
شبیه سازی عددی پارامترهای هندسی – هیدرولیکی آبشستگی پایین دست جت های ریزشی آزاد در حوضچه استغراق
چکیده
سازه های ریزشی آزاد به عنوان یکی از اقتصادی ترین روش های استهلاک انرژی جریان، در خروجی سازه های هیدرولیکی از اهمیت خاصی در مهندسی هیدرولیک برخوردار است اما همواره حفاظت بستر پایین دست و جلوگیری از فرسایش و وقوع آبشستگی به دلیل در معرض خطر قرار گرفتن پایداری سازه از مهمترین چالش های بوده که محققین با آن مواجه بوده اند. قالب تحقیقات برای پیش بینی ابعاد حفره آبشستگی ناشی از جت های ریزشی آزاد به صورت آزمایشگاهی بوده است. لذا نیاز به بسط و توسعه مدل های عددی برای کاهش هزینه ها و زمان در مدلسازی احساس می شد.
در این پایان نامه فرآیند آبشستگی در پایین دست جت های ریزشی آزاد به روش عددی و با استفاده از مدل ریاضی FLOW3D شبیه سازی شد و ابعاد حفره آبشستگی به دست آمد. برای شبیه سازی آشفتگی جریان از مدل استاندارد k-e استفاده شد و به جهت افزایش دقت محاسبات در شبکه بندی میدان مسئله از دو بلوک مجزا و تودرتو (Inter-Block) یکی برای میدان جریان ناشی از ریزش جت و دیگری برای بررسی تغییرات رسوبات بستر استفاده گردید.
نتایج نشان می دهد مدل ریاضی FLOW 3D توانایی خوبی برای شبیه سازی آبشستگی دارد و به وضوح اثر جریان های ثانویه در شکل گیری حفره آبشستگی را نشان می دهد. در مقایسه شبیه سازی 2 بعدی و 3 بعدی فرآیند آبشستگی مشخص گردید، به دلیل عدم امکان شکل گیری جریان های ثانویه عرضی در مدل 2 بعدی طول حفره آبشستگی در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی بزرگتر است و برآمدگی در پایین دست حفره نیز تشکیل نمی شود.
در این پژوهش مشخصا به بررسی اثر عمق پایاب بر روی ابعاد حفره آبشستگی پرداخته شده است. نتایج نشان می دهد با افزایش عمق پایاب ابعاد حفره (طول، عرض، عمق) آبشستگی افزایش می یابد. ابعاد حفره آبشستگی به دست آمده از مدل ریاضی FLOW 3D در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی سایر محققین از تطابق نسبتا زیادی برخوردار است.
مقدمه
آبشستگی (Scouring) پدیده ای است طبیعی که بشر از چندین قرن پیش موفق به کشف آن شده است. این پدیده فیزیکی یکی از مسائل اساسی و بنیادی در علم هیدرولیک است که محققین بسیاری در طی سالیان گذشته به تحقیق، آزمایش و بررسی آن پرداخته اند. در طی فرآیند آبشستگی که وابسته به پارامترهای هندسی هیدرولیکی بوده که در اثر عبور جریان آب از روی دانه های رسوبی و یا برخورد به آن این ذرات شروع به حرکت کرده و همراه جریان به پایین دست منتقل شده و فرسایش بستر به مرور زمان به وجود می آید. هرچند نوع آبشستگی که در هریک از سازه های هیدرولیکی ممکن است پدید آید متفاوت است ولی فرآیند فوق تقریبا در تمامی آنها مشترک است.
فرآیند آبشستگی بسیار پیچیده بوده و درک آن احتیاج به دانستن و اشراف کامل به اصول مکانیک سیالات، هیدرودینامیک جریان و هیدرولیک رسوب دارد. به طور کلی بررسی پدیده آبشستگی اندر کنش جریان و رسوب از مباحث اساسی در تحلیل و پیش بینی میزان و مقدار آبشستگی در سازه های هیدرولیکی است.
به دلیل وجود این پیچیدگی ها هرچند تحقیقات گسترده ای توسط دانشمندان و محققین علم هیدرولیک و رسوب به صورت آزمایشگاهی، تحلیل های عددی، شبکه های عصبی و منطق فازی صورت گرفته است ولی هنوز به ارائه روابط کاملی که بتواند همه پارامترهای موثر در آبشستگی را در خود جای دهد منجر نشده است. بنابراین مطالعات در این زمینه همچنان تداوم دارد. نتایج آزمایش های صورت گرفته در فلوم ها با وجود مشکلات ناشی از مقیاس مدل های هیدرولیکی و محدودیت های اندازه گیری پارامترهای موثر آبشستگی برخی معادلات تجربی به دست آمده که همگی مبین این است که فرآیند آبشستگی تابعی از زمان و مکان است. درک فرآیند و مکانیسم آبشستگی و پیش بینی هندسه نهایی گودال آبشستگی از این رو اهمیت دارد که حفاظت کامل بستر در مقابل با صرف هزینه های گزاف ممکن می گردد. در برخی مواقع حفاظت کامل نیز ممکن نیست. بنابراین پیش بینی دقیق و نزدیک به واقعیت عمق پیشینه و هندسه گودال آبشستگی می تواند باعث صرفه جویی در هزینه های اجرایی حفاظت بستر گردد.
جریان های خروجی از سازه های هیدرولیکی با سرعت زیاد را می توان در مجموعه جت ها طبقه بندی کرده و آبشستگی ناشی از آنها را تحت عنوان آبشستگی پایین دست جت ها مورد بررسی قرار داد. تاکنون مطالعات متعددی برروی آبشستگی ناشی از انواع مختلف جت (جت های افقی، قائم، مایل پرتابی) صورت گرفته است که هریک از انواع آن تحت شرایط جت های آزاد و مستغرق مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته اند و روابطی تجربی نیز توسط هریک از محققین ارائه گردیده است. هیچ یک از روابط به طور کامل نمی توانند جزئیات فرآیند آبشستگی را تحت یک رابطه ریاضی مدل کنند و هنوز نیاز به تحقیقات بیشتر احساس می شود.
به دنبال تحقیقات آزمایشگاهی آبشستگی انجام شده تعدادی از محققین به بررسی آبشستگی به صورت حل عددی معادلات حاکم بر آشفتگی جریان و انتقال رسوب پرداخته اند که می توان (Ushijima et.al. -1993) و (Olsen and Melauen -1993) و Heffmans & and Boaj -1992) و صالحی نیشابوری و همکاران نام برد.
پیش بینی عمق بیشینه گودال آبشستگی و تخمین پروفیل نهایی بستر به وسیله ساخت فلوم ها و مدل های هیدرولیک در آزمایشگاه ها اگرچه می تواند منطقی برسد ولی ساختن مدل های آزمایشگاهی مستلزم صرف وقت و هزینه های زیادی است و در ضمن نمی توان نتایج حاصل از آزمایشات را به راحتی برای شرایط واقعی تعمیم داد. بنابراین لزوم وجود مدل های عددی که بتواند از طریق گسسته سازی معادلات حاکم بر میدان جریان و رسوب و اعمال یک سری فرضیات ساده کننده مسئله روابط پیچیده حاکم بر پدیده آبشستگی را به معادلات ساده تر و قابل حل تبدیل کند، به وضوح احساس می شود.
برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید
نظرات شما عزیزان:
تبادل لینک هوشمند