مدل‌سازی عددی تاثیر زوایای متفاوت بازشدگی سیلاب‌دشت‌ها بر توزیع تنش برشی و سرعت سیال در کانال‌های غیرمنشوری مرکب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه عمران، دانشکده فنی مهندسی کبودراهنگ، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران

چکیده

کانال‌های مرکب، مقطع عرضی بسیاری از رودخانه‌ها به ویژه در بازه‌های مجاور مناطق مسکونی و زراعی را تشکیل می‌دهند. بررسی رفتار هیدرولیکی کانال‌های مرکب، در طرح‌های کنترل سیلاب و ساماندهی رودخانه‌ها اهمیت فراوانی دارد. در این پژوهش، با مدل‌سازی کانال مرکب بتنی با نرم‌افزار انسیس فلوئنت با کمک مدل آشفتگی k-εو روش مدل حجم سیال، تنش برشی و سرعت میانگین جریان در کانال مرکب با سیلاب‌دشت‌های واگرا به ازای زوایای بازشدگی متفاوت تعیین گردید. همچنین، شرایط مرزی برای جریان در کانال مورد بررسی به‌صورت مرز ورودی نرخ جرمی جریان، مرز خروجی به‌صورت خروجی فشار، مرزهای جامد به‌صورت دیوار بدون لغزش و بدون زبری و مرز بالایی کانال به‌صورت دیوار بدون لغزش و بدون زبری تعریف شده‌اند. مدل‌سازی صورت گرفته و مقایسه بین داده‌های آزمایشگاهی و نتایج پژوهش حاضر، نشان داد که بیش‌ترین سرعت در کانال با زاویه بازشدگی سه درجه رخ داده و با افزایش زاویه بازشدگی، سرعت جریان نیز کم‌تر شده است. علاوه بر آن، ماکزیمم تنش برشی ایجاد شده در کانال مرکب با زاویه بازشدگی کمتر اتفاق افتاده؛ به‌عبارت دیگر، هرچه زاویه بازشدگی سیلابدشت بیشتر شده مقدار تنش برشی سیال نیز سیر نزولی پیدا کرده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical Modeling of the Effect of Different Angles of Floodplain Divergence on Shear Stress Distribution and Fluid Velocity in Compound Non-Prismatic Channels

نویسندگان [English]

  • Morteza Shokri 1
  • Reza Mahdipour 2
1 Assistant. Professor, Department. of Civil Engineering, Faculty of Kabodarahang Engineering, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
2 M.Sc. Student of Water and Hydraulic Structures, Faculty of Engineering, Bu Ali Sina University, Hamadan, Iran
چکیده [English]

Compound channels form the cross section of many rivers, especially in adjacent areas of residential and agricultural areas. Investigation of hydraulic behavior of compound channels is of great importance in floodplain control and river management plans. In this study, by modeling a concrete compound channel with Ansys Fluent software using k-ε turbulence model and VOF method, shear stress and average flow velocity in compound channel with divergent floodplains were determined for different divergence angles. Also, the boundary conditions for flow in the studied channel are defined as input mass flow rate, output limit as pressure outlet, solid boundaries as non-slip and rough wall and upper channel boundary as non-slip and rough wall. The modeling and comparison between the laboratory data and the results of the present study showed that the maximum velocity in the channel occurs with a divergence angle of 3 degrees and with increasing the divergence angle, the flow velocity also decreases. In addition to, maximum of shear stress in the compound channel occurs with a lower divergence angle; In other words, as the divergence angle of the floodplain increases, the amount of shear stress of the fluid also decreases.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bed Divergence Angle؛ Divergent Floodplain؛ Shear Stress؛ Open Compound Channel
  • turbulent model
جوادیان.، ع. 1395. تحلیل هیدرولیکی توزیع تنش برشی در کانال‌های مرکب. پایان‌نامه کارشناسی ارشد سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه پیام نور، مرکز تهران شمال. 
سیف، م. م. و رضایی، ب. 1398. مطالعه عددی اثر زاویه اریب در کانال مرکب با سیلاب‌دشت‌های مورب بر اندرکنش بین جریان در کانال اصلی و سیلاب‌دشت‌ها. نشریه مهندسی عمران فردوس. 32(1): 164-151.
نقیبی نیشاپوری، ن. و ساغروانی، م. 1392. بررسی میزان انتقال رسوب در رودخانه‌های با بستر شنی. پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی شاهرود، دانشکده مهندسی عمران و معماری، گروه عمران.
یونسی، ح. 1392. مطالعه انتقال بار بستر در مجرای اصلی کانال مرکب با سیلاب‌دشت غیرمنشوری. رساله دکتری، دانشگاه تهران، دوره آبیاری و آبادانی.
ظهیری، ع. 1389. شبیه‌سازی جریان متغیر تدریجی در مقاطع مرکب. مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک. 17(4): 190-181.
Bakker, B., Vermaas, H. and Choudri, A.M. 1989. Regime theories updated or outdated. Delft Hydraulics. 416: 1-7.
Bousmar, D. 2002. Flow modelling in compound channels: momentum transfer between main channel and prismatic or non-prismatic floodplains. Thesis Presented for the degree of Doctor in Applied Sciences.
Bousmar, D., Proust, S. and Zech, Y. 2006. Experiments on the Flow in a Enlarging Compound Channel. Proceeding River Flow, Lisbon, Portugal. 1: 323-332.
Das, B. and Khatua, K. 2018a. Water Surface Profiles Computation for Compound Channel having Diverging Floodplains. ISH Journal of Hydraulic Engineering. 23(2): 336-349.
Das, B. and Khatua, K. 2018b. Flow Resistance in a Compound Channel with Diverging and Converging Floodplains. American Society of Civil Engineers. 144(8): 1-21
Devi, K., Khatua, K. K.  and Das, B. S. 2016. Apparent shear in an asymmetric compound channel. Iowa City, USA.. River Flow. 48: 147-157.
Filonovich. M., Azevedo. R., Rojas-Solorzano. L. R. and Leal. J.B. 2010. Simulation of the velocity field in compound channel flow using different closure models. In Proceedings 1st European IAHR Congress, Edinburgh. 4-6.
Hirt. C.W. and Nichols. B.D. 1981. Volume of fluid VOF Method for the dynamics of free boundaries. J. Comput. Phys. Launder, B. E., and Spalding, D. B. Lectures in mathematical models of turbulence, Academic, London. 39: 201–225.
Kumar, A., Kumar Singh, P. and Kumar Khatua, K. 2016. Comparison of 2D and 3D Modeling of Converging and Diverging Floodplains. 21st International Conference on Hydraulics, Water Resources and Coastal Engineering (HYDRO 2016 International), Central Water & Power Research Station (CWPRS). Pune, India.
Khatua, K. K. and  Patra, K. Ch.  2007. Boundary Shear Distribution in Meandering Compound Channel Flow Proceedings of the 5th Australian Stream Management Conference.
Mohanta, A., Patra, K. C. and Khatua, K. K. 2014. CFD Simulation And Two-Phase Modeling Of A Non-Prismatic Converging Compound Channel. Internatioanl Journal of Enginnering Research and Application.
Naik, B., Khatua, K. K., Wright, N. G. and Sleigh, A. 2017. Stage Discharge Prediction for Converging Compound Channels with Narrow Floodplains. Journal of Irrigation and Drainage Engineering ASCE, 143(8).
Proust, S., Bousmar, D., Reviere, N., Paquier , A. and Zech, Y. 2010. Energy Losses in Compound Open Channels”. Advances in Water Resources, Elsevier. 33(1): 1-16.
Patra, K. C., Mohanty, P. K. and Khatua, K. 2012. Investigation on shear layer in compound channels. National Conference Hydraulic and Water Resources Hydro.
Seckin, G., Mamak, M., Atabay, S. and Omran, M. 2009. Discharge estimation in compound channels with fixed and mobilebed." Sadhana. 34(6): 923-945.
Reddy, Y. C. S. (2016). Application of K-Ԑ Model to Compound Channels Having Diverging Flood Plains and Analysis of Depth Averaged Velocity Using Ansys (Fluent) (Doctoral dissertation).‏
Tominaga, A. and Nezu, I. 1991. Turbulent Structure in Compound Open-channel Flows. Journal of Hydraulic Engineering. ASCE. 117: 21-41.
Younesi, H., Omid, M. and Ayyoubzadeh, S. 2013. The Hydraulics of Flow in non-prismatic Compound Channels. Journal of Civil Engineering Urban. 3(6): 342-356.