شبیه سازی عددی اثر زاویه دریچه کشویی بر جریان و اندرکنش آن با بستر فرسایش پذیر پایین دست

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی آب و سازه های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی آب، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 دانش آموخته دکتری مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران.

3 گروه مهندسی آب و سازه های هیدرولیکی، دانشگده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

چکیده

پایداری سازه‌های هیدرولیکی یکی از مسائل مهمی است که همواره مورد توجه محققین می‌باشد. تغییرات بستر ناشی از جریان عبوری اطراف سازه‌های هیدرولیکی یکی از عوامل تأثیرگذار بر این پایداری است. در مطالعه حاضر آبشستگی و رسوب‌گذاری در پایین‌دست دریچه کشویی با زوایای مختلف (30، 45، 60 و 75 درجه) با استفاده از مدل عددی Flow-3D مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته است. نتایج این مدلسازی نشان داد که مدل عددی Flow-3D علاوه بر پیش‌بینی مقادیر حدی عمق و ارتفاع رسوب‌گذاری با شاخص آماری 9/0 R2=، در شبیه‌سازی شکل این تغییرات نیز نتایج قابل قبولی را ارائه می‌دهد. تغییرات بستر نشان داد که با افزایش زاویه تا 45 درجه عمق آبشستگی تا 4/3 برابر ضخامت جت جریان افزایش یافته، در حالی که برای زاویه 60 درجه با 8/2 برابر بازشدگی دریچه، حداقل مقدار را داراست. فاصله مقادیر حدی آبشستگی و رسوب‌گذاری برای زاویه 60 درجه در حدود 12 برابر ضخامت جت جریان و همچنین عرض و طول گردابه تشکیل شده در پایین‌دست دریچه به ترتیب برابر با بزرگای عمق جریان و 16 الی 17 برابر ضخامت جت جریان است. چرخش این گردابه در ناحیه بین خط جدایی جریان و دریچه، با سرعتی در حدود 10 درصد سرعت جت جریان به صورت پادساعتگرد محدود است. لذا دریچه 60 درجه با در نظر گرفتن عمق آبشستگی و ارتفاع رسوب‌گذاری، بهترین زاویه جهت طراحی است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical simulation of gate angle effect on flow and its interaction with downstream erodible bed

نویسندگان [English]

  • shahab nayyer 1
  • mehran kheirkhahan 2
  • khosrow Hosseini 3
1 Ph.D. Student in Water Engineering and Hydraulic Structures, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
2 Ph.D in water engineering and hydraulic structures, faculty of civil engineering, Semnan University, Semnan, Iran.
3 Hydraulic structures Department, Civil Engineering Facultym Semnan University, semnan , Iran
چکیده [English]

Stability of hydraulic structures is one of the main problem that usually researchers focused on it. Bed change around the hydraulic structures caused by flow is one of this effected items on stability. In this research, the scouring and sedimentation downstream of gate with different angles (30, 45, 60 and 75 degrees) has been investigated with Flow-3D software. This simulation results illustrated that Flow-3D software in addition to the prediction of scour depth and sedimentation high with R2=0.9, have acceptable results of bed shape change in simulation. The erodible bed changes showed that with increasing of angle up to 45 degrees, scour depth will increase up to 3.4 times of flow jet thickness, while for gate with 60 degrees this amount is minimum and equal to 2.8. Distance of scour and sedimentation maximum depth and high for 60 degrees was about 12 times of flow jet thickness, also wide and length of composed vortex downstream of gate were about equal to flow depth and 16 to 17 times of flow jet thickness, respectively. The vortex circulation between separation stream layer and gate, and its velocity is 10 percent of jet velocity which rotate counter clockwise. So gate with angle of 60 degrees according to scour depth and sedimentation high was the best angle for design.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flow Jet
  • Scouring
  • Sedimentation
  • Time Variation of Scouring
  • Flow-3D
امن­زاده، ف.، کاردان، ن. 1397. مدلسازی عددی آبشستگی پایین­دست دریچه کشویی با استفاده از نرم­افزار Flow-3D. کنفرانس بین­المللی عمران، معماری و مدیریت توسعه شهری در ایران. آذرماه. دانشگاه تهران.
حمیدی­فر، ح.، امید، م. ح.، نصرآبادی، م. 1389. آبشستگی موضعی بستر در پایین­دست دریچه کشویی. نشریه آب و خاک. 24. 4: 728- 736.
شیوا، ف.، عطاری، ج. و صانعی، م. 1394. نشریه علمی- پژوهشی مهندسی و مدیریت آبخیز. 7. 3: 240- 254.
کاهه، م. دهقانی، ا. ا، کاهه، م.، ظهیری، ع. 1393. مدلسازی عددی آبشستگی پایین دست سازه ترکیبی سرریز- دریچه با استفاده از نرم افزارFlow-3D . نشریه پژوهش­های حفاظت آب و خاک.21. 5: 115- 133.
گوهری، س. و کبیری، ز. 1398. بررسی آزمایشگاهی آبشستگی پایین­دست سرریز لابیرنت مستطیلی با دریچه. تحقیقات مهندسی سازه­های آبیاری و زهکشی. 20. 75: 85-100.
مسعودیان، م.  1374. پیش­بینی آّشستگی جت دیواری. پایان­نامه کارشناسی ارشد. دانشکده مهندسی دانشگاه تربیت مدرس.
ناصحی، م. 1375. پروفیل آبشستگی در پایین­دست آبشار قائم. پایان­نامه کارشناسی ارشد. دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه.
Abedelaziz, S. Bui, M.D. and Rutschmann, P. 2010. Numerical simulation of scour development due to submerged horizontal jet. River Flow. A. Dittrich, K. Koll, J. Aberle and P. Geisenhainer.
Adduce, C. and Sciortino, G. 2006. Scour due to a horizontal turbulent jet: Numerical and experimental investigation. Journal of Hydraulic Research. 44.5:  663-673.
Ali, K. H. M. and Neyshaboury A. A. S. 1993. Localized scour downstream of a deeply submerged horizontal jet. Proceeding of Instn. Of Civil Engineers. 2.91: 1-18.
Annandale, G.W. 2006. Scour Technology. McGraw- Hill, New York, 430 p.
Breusers, H. N. C. and Raudkivi, A. J. 1991. Scouring. Balkema, Rotterdam, 142 p.
Dehghani, A.A. Bashiri, H. and Dehghani, N. 2010. Downstream scour of combined flow over weirs and below gates. Proceeding of River Flow 2010, Germany.
Dey, S. and Sarkar, A. 2006. Scour downstream of an apron for due to submerged horizontal jets. Journal of Hydraulic Engineering. 132.3: 246-257.
Dey, S. and Westrich, B. 2003. Hydraulics of submerged jet subject to change in cohesive bed geometry. Journal of Hydraulic Engineering. 129.1: 44-53.
Eggenberger, W. and R. Mueller. 1944. in Experimentelle und Theoretische Untersuchungen Ueber das Kolkproblem, Mitteil. Versuchsanstalt für Wasserbau. Zurich.  Chap. 5.
FLOW-3D user manual. Ver. 9.0.
Hamidifar, H., Omid, M.H. and Nasrabadi, M. 2011. Scour downstream of a rough rigid apron. World Applied Sciences Journal. 14.8:1169-1178.
Hoffmans, G. J. C. M. and Verheij, H. J. 1997. Scour manual. Balkema, Rotterdam.
Hopfinger, E.J., Kurniawan, A. Graf, W.H. and Lemmin, U. 2004. Sediment erosion by Görtler vortices: the scour-hole problem. Journal of Fluid Mechanics. 520: 327-342.
Karim, O. A. and Ali, K. H. M. 2000. Prediction of patterns in local scour holes caused by turbulent water jets. Journal of Hydraulic Research. 38.4: 279-288.
Kotoulas, D. 1967. Das kolkproblem in rahmen der wildbachverbauung mitteil. Schweiz. Anst. Forstl. Versuchswesen. 43.1.
Laursen, E. M. 1952. Observations on the nature of scour. Proceeding of 5th Hydr. Conf. Univ. of Iowa. Studies in Engineering. Bull. 34: 179-197.
Lim, S. Y. 1985. Scour and particle diffusion caused by water jets. Ph.D Dissertation. University of Liverpool.
Martino, R. G. Ciani, F. G. Paterson, A. and Piva, M. F.2019. Experimental study on the scour due to a water jet subjected to lateral confinement. European Journal of Mechanics-B/Fluids. 75: 219-227.
Meyer-Peter, E. and Müller, R. 1948. Formulas for bed-load transport. In IAHSR 2nd meeting, Stockholm, appendix 2: 39-64.
Mohammed, Fadhil M., Jassim, A., Adil Abbas, h. 2018 . An experimental study of factors influencing the scour depth resulting from the collision of water jet in stilling basin floor. Journal University of Kerbala. 16. 2: 52-67.
Nayyer, S. Farzin, S. Karami, H. and Rostami, M. 2019. A numerical and experimental investigation of the effects of combination of spur dikes in series on a flow field. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 41.6: 256.
Rajaratnam, N. 1981. Erosion by plane turbulent jets. Journal of Hydraulic Research. 19.4: 339-358.
Rajaratnam, N. and Berry, B. 1977. Erosion by circular turbulent wall jets. Journal of Hydraulic Research. 15.3: 277-289.
Rajaratnam, N. and MacDougall, R. K. 1983. Erosion by plane wall jets with minimum tail water. Journal of Hydraulic Engineering. 109.7: 1061-1064.
 Rajaratnam, N. and Mazurek, K. A. 2003. Erosion of sand by circular impinging water jets with small tail water. Journal of Hydraulic Engineering. 129.3: 225-229.
Shestakov, M. V. Dulin, V. M. Tokarev, M. P. Sikovsky, D. P. and Markovich, D. M. 2015. PIV study of large-scale flow organisation in slot jets. International Journal of Heat and Fluid Flow. 51: 335-352.
Smith, H.D. B. 2007. Flow and sediment dynamics around three-dimensional structures in coastal environments. Ph.D Dissertation. The Ohio State University.
Tarapore, Z. S. 1956. Scour below a submerged sluice gate. Ph.D Dissertation. University of Minnesota.
Tregnaghi, M. 2008. Local scouring at bed sills under steady and unsteady conditions. Ph.D Dissertation. Università degli Studi di Padova.
Uyumaz, A. 1988. Scour downstream of vertical gate. Journal of Hydraulic Engineering. 114.7:811.
Valentin, F. 1967. Considerations concerning scour in the case of flow under gates. In Proceedings of the12th