مطالعه عددی جریان آشفته و فرآیندهای مؤثر بر آبشستگی حول آبشکن مستقیم با بستر صلب

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 گروه مهندسی عمران دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

در مطالعه حاضر به بررسی فیزیک جریان و نقش ساختار‌‌های منسجم جریان در فرآیند آبشستگی در اطراف یک آبشکن قائم واقع در کانالی مستقیم و در شرایط شروع آبشستگی (بستر مسطح)، پرداخته شده است. به این منظور از روش شبیه سازی گردابه‌های بزرگ (LES) برای جریانی با مقدار نسبتاً کم عدد رینولدز استفاده شده است (18000=Re). جریان ورودی کاملاً آشفته و حاوی نوسانات آشفته است. پس از تصویرسازی جریان، مشاهده شد که شدت ساختار گردابه گردنبندی نعل اسبی (HV) در مقاطع اطراف نوک آبشکن به حداکثر میزان خود می‌رسد. در این ناحیه هسته گردابه گردنبندی بین دو حالت مختلف نوسان ‌می‌کند. در یکی از آن‌ها (مود جریان صفر)، گردابه گردنبندی به آبشکن نزدیکتر شده و جت جریان در زیر آن ضعیف ‌می‌شود. در حالت دیگر (مود برگشت جریان)، جت نزدیک به بستر، گردابه گردنبندی را به دور از آبشکن منتقل ‌می‌کند. بنابراین توزیع انرژی جنبشی آشفته و نوسانات فشار در این محل شکلی دو قله‌‌ای ‌می‌گیرند. بیشترین مقادیر تنش برشی بستر در ناحیه شتاب گیری جریان در نزدیکی نوک آبشکن و در زیر قسمت بالادست لایه برشی منفصل (DSL) مشاهده ‌می‌شوند. انتهای گردابه نعل اسبی گاهی با لوله‌های گردابی افشانده شده در DSL و با نوک آبشکن اندرکنش ‌می‌کند. برخی از گردابه‌های افشانده شده در DSL نیز به صورت تصادفی با یکدیگر یا با گردابه‌های ناحیه بازچرخش در پشت آبشکن اندرکنش ‌می‌کنند. این مسئله نیز منجر به ازدیاد تنش برشی بستر در طول مسیر آن‌ها ‌می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical investigation on turbulent Flow and scour leading processes around straight dike in a flat bed channel

نویسندگان [English]

  • Mahsa Sobat 1
  • Seyyed Ali Akbar Salehi Neyshabouri 1
  • َAkbar Safarzadeh 2
1 Department of Civil and Environmental Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Faculty of Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
چکیده [English]

The present study investigates the physics of the flow and the role of coherent structures of flow in the scouring process, around a vertical dike, located in a straight channel, at the beginning of scouring process (flat bed). Therefore large eddy simulation (LES) method is applied for a flow with a relatively low Reynolds number (Re=18000). The inflow is thoroughly turbulent and full of realistic turbulent fluctuations. After visualizing the flow, it was found that the intensity of the primary horseshoe vortex (HV) is largest at vertical sections around the tip of the dike. In this region, the core of the horseshoe vortex fluctuated between two modes. In one of them (zero-flow mode) the horseshoe vortex gets closer to the dike and the beneath flow jet gets weaker. In the other one (back-flow mode), the jet flow near the bed, takes the horseshoe vortex farther apart from the dike. As a result, in the distribution of turbulent kinetic energy and pressure fluctuations, two peaks are observed. The largest amounts of bed shear stress are present in the acceleration zone of flow near the tip of the dike, upstream of detached shear layer (DSL). The tail of the horseshoe vortex occasionally interacts with the vortex tubes shed in DSL and the tip of the dike. Furtherrmore some of the vortices shed in DSL may sometimes interact with each other or with the vortices present in the recirculation region behind the dike. This leads to amplification of bed shear stress along their path.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Straight Dike
  • Turbulence
  • LES
  • Horseshoe vortex
  • Shear Layer
Choi, S. U. and W. Yang. 2002. Numerical simulation of 3-D flows around bridge piers, paper presented at First International Conference on Scour of Foundations, Tex. A&M Univ., College Station, Tex.
Dargahi, B. 1990. Controlling mechanism of local scouring, J. Hydraul. Eng., 116. 10.  1197 – 1214, doi:10.1061/. ASCE0733-9429. 1990 116:10. 1197.
Devenport, W. J, and R. L. Simpson. 1990. Time-dependent and time-averaged turbulence structure near the nose of a wing-body junction, J. Fluid Mech., 210, 23–55, doi:10.1017/S0022112090001215.
Dubief, Y. and F. Delcayre. 2000. On coherent vortex identification in turbulence, J. Turbul., 1, paper 11, doi:10.1088/1468-5248/1/1/011.
Ettema, R., G. Kirkil, and M. Muste. 2006. Similitude of large-scale turbulence in experiments on local scour at cylinders, J. Hydraul. Eng., 132. 1.  33–40, doi:10.1061/. ASCE0733-9429. 2006132:1. 33.
Jackson, T. T., Haggerty, R., Apte, S., Coleman, A. and Drost, K. 2012. Defining and measuring the mean residence time of lateral surface transient storage zones in small streams.” Water Resour. Res., 48, W10501.
Kim, H. J, and P. Durbin. 1988. Observations of the frequencies in a sphere wake and of drag increase by acoustic excitation, Phys. Fluids A, 31, 3260–3265, doi:10.1063/1.866937.
Kirkil, G., S. G. Constantinescu, and R. Ettema. 2006. Investigation of the velocity and pressure fluctuations distributions inside the turbulent horseshoe vortex system around a circular bridge pier, paper presented at River Flow 2006: International Conference on Fluvial Hydraulics, Int. Assoc. of Hydraul. Eng. and Res., Lisbon.
Koken, M. and Constantinescu, G. 2008a. An investigation of the flow and scour mechanisms around isolated spur dikes in a shallow open channel. Part I. Conditions corresponding to the initiation of the erosion and deposition process.” Water Resour. Res., 44. 8.  W08406.
Koken, M. and Constantinescu, G. 2009. An investigation of the dynamics of coherent structures in a turbulent channel flow with a vertical sidewall obstruction.” Phys. Fluids, 21. 8.  085104.
Koken, M. and Constantinescu, G. 2011. Flow and turbulence structure around a spur dike in a channel with a large scour hole.” Water Resour.Res., 47. 12.  W12511.
Koken, M. and Constantinescu, G. 2014. Flow and turbulence structure around abutments with sloped sidewalls. Journal of Hydraulic Engineering, 140. 7.  04014031.
Krajnovic, S. and L. Davidson . 2002. Large eddy simulation of the flow about a bluff body, AIAA J., 40, 927–936.
Kwan, R. T. and B. W. Melville. 1994. Local scour and flow measurements at bridge abutments, J. Hydraul. Res., 32(5), 661–673.
McCoy, A., S. G. Constantinescu, and L. Weber. 2007. A numerical investigation of the dynamics of coherent structures and mass exchange processes in a channel flow with two lateral submerged groynes, Water Resour. Res., 43, W05445, doi:10.1029/2006WR005267.
McCoy, A., S. G. Constantinescu, and L. Weber. 2008. Numerical investigation of flow hydrodynamics in a channel with a series of groynes, J. Hydraul. Eng., 134. 2.  157 – 172, doi:10.1061/. ASCE07339429. 2008134:2. 157.
Molinas, A., K. Kheireldin, and B. Wu. 1998. Shear stress around vertical wall abutments, J. Hydraul. Eng., 124. 8.  822 – 830, doi:10.1061/ . ASCE0733-9429. 1998124:8. 822.
Paik, J. and F. Sotiropoulos. 2005. Coherent structure dynamics upstream of a long rectangular block at the side of a large aspect ratio channel, Phys. Fluids, 17. 11.  115104, doi:10.1063/1.2130743.
Paik, J., C. Escauriaza, and F. Sotiropoulos. 2007. On the bimodal dynamics of the turbulent horseshoe vortex system in a wing body junction, Phys. Fluids, 19. 4.  045107.
Rajaratnam, N. and B. Nwachukwu. 1983. Flow near groin-like structures, J. Hydraul. Eng., 109. 3.  463–479.
Wei, Q. D., G. Chen, and X. D. Du. 2001. An experimental study on the structure of juncture flows, J. Visualization, 3. 4.  341–348