بررسی عددی الگوی جریان، پروفیل بستر و تنش برشی اطراف پایه مستطیلی با Flow 3D

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه سازه های آبی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

2 گروه آب و خاک - دانشکده کشاورزی - دانشگاه صنعتی شاهرود - شاهرود- ایران

3 گروه آب و خاک، دانشکده کشاورزی،دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

4 دانشیار گروه مهندسی آب و محیط زیست، دانشکده عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران.

چکیده

از جمله پدیده‌های پیچیده در مهندسی هیدرولیک رسوب، آبشستگی در اطراف پایه‌های پل‌ها است. با توجه به الگوی سه بعدی و پیچیده جریان در اطراف پایه‌ها، اندازه‌گیری برخی از پارامترهای هیدرولیکی در حین انجام آزمایش‌ها از قبیل الگوی جریان، تغییرات پروفیل بستر و تنش برشی مشکل است، در این شرایط می‌توان از مدل‌های عددی جهت استخراج نتایج و مطالعات دقیق‌تر بهره برد. هدف از این تحقیق، مدلسازی عددی الگوی جریان، تغییرات پروفیل بستر و عمق آبشستگی در اطراف پایه مستطیلی با نرم افزار Flow 3D و کاربرد نتایج آن در حمایت پایه در برابر آبشستگی می‌باشد. نتایج نشان داد، برای پایه همراستا با جریان، شکل حفره و الگوی جریان در اطراف پایه متقارن بود. با زاویه‌دار شدن پایه در قسمت جلو آن مقدار تنش برشی افزایش یافت به‌طوریکه برای پایه 10 درجه بیشترین مقدار آن و در حدود 0.55نیوتون بر مترمربع بدست آمد. همچنین نوسانات پروفیل بستر و سطح آب نیز با افزایش زاویه پایه، بیشتر شد. کاربرد صفحات مستغرق، الگوی آبشستگی را تغییر داده و با جابجایی رسوبات به جلوی پایه، کاهش آبشستگی را به دنبال داشت. افزایش ارتفاع و زاویه صفحات مستغرق نقش حمایتی آن‌ها را بهبود داد. براساس نتایج مدل عددی، عمق آبشستگی در جلوی پایه همراستا با جریان و صفحات با زاویه 30 درجه، هم‌تراز با بستر، با ارتفاع 1.25سانتیمتر و با ارتفاع 2.5 سانتیمتر روی بستر، بعد از 30 دقیقه به ترتیب 3.1، 0.035 و 0.005+ (روی بستر) سانتیمتر بود. با زاویه‌دار شدن پایه عملکرد صفحات در کنترل آبشستگی در قسمت جلوی پایه و در سمت دیوار پرفشار پایه کاهش یافت، اما در سمت دیواره‌ی کم‌فشار، عمق آبشستگی نسبت به پایه‌ی بدون زاویه کمتر بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Flow Pattern, Bed profile and Shear Stress around the Rectangular Bridge Pier Using Flow 3D

نویسندگان [English]

  • Paniz Royani 1
  • Seyyed Hossein Hosseini 2
  • Khalil Azhdary 3
  • Samad Emamghoizadeh 4
1 MS.c graduate, Department of Water structures, Agricultural Faculty, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
2 Department of Water & Soil - Faculty of Agricultural Engineering - Shahrood University of Technology - Shahrood -Iran
3 Department of Soil and Water , Faculty of Agriculture, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
4 4- Associate Professor, Water Engineering Department, Civil Faculty, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran.
چکیده [English]

One of the complicated phenomena in sediment hydraulic engineering is scouring around bridge pier. Regard to three-dimensional and complicated flow pattern around piers, measuring some hydraulics parameters during the tests such as flow pattern, variation of bed profile and shear stress are difficult, in this situation application of numerical models in order to extract results and more detailed study is useful. Aim of this research is numerical modeling of flow pattern, variation of bed profile and scour depth and shear stress around rectangular pier using Flow 3D and applying the results to protect piers against scouring. Results showed, for aligned pier with flow, shape of scour hole and flow pattern were symmetrical, the side in contact with flow is high-pressure and the other side is low-pressure. As increase of pier angle, shear stress in front of the pier increased so that for pier with 10° angle with flow direction, shear stress was 0.55 N/m2. Also fluctuations of bed profile and water surface increased. Application of submerged vanes, changed scour pattern and moved sediment in front of pier which scouring was reduced. Increase of height and angle of submerged vanes improved their protective role. Base on the results of numerical model, after 30 minutes, scour depth in front of pier in aligned pier with flow and angle of submerged vanes 30°, in same level with bed, 1.25 cm and 2.5 cm on the bed, was 3.1 cm, 0.035 cm and +0.005 cm (on the bed), respectively. As increase of pier angle, performance of submerged vanes to control scouring in front of pier and in side of high-pressure wall decreased, but in side of low-pressure wall scouring compared with alone pier was less.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flow Pattern
  • Bed profile
  • Shear Stress
  • Flow 3D
  • Submerged vanes
بابا گلی، ر. و رﻣﻀﺎﻧﯽ، ی. 1395. ﻣﻘﺎﯾﺴﻪ ﻣﺪل‌ﻫﺎی آﺷﻔﺘﮕﯽ در ﺗﺨﻤﯿن ﺗﻨﺶ ﺑﺮﺷﯽ ﺑﺴﺘر ﭘﯿﺮاﻣﻮن تکیه‌گاه ﭘﻞ در ﻣﻘﻄﻊ ﻣﺮﮐب. ﻧﺸﺮﯾﻪ داﻧﺶ آب و ﺧﺎک. 26(2-2): 95-109.
بشارتی گیوی، م.ح. و حکیم زاده، ح. 1389. بررسی عددی سه‌بعدی الگوی جریان و تنش برشی بستر اطراف پایه‌های مخروطی. نشریه مهندسی دریا، 6(11): 63-70.
بهروزی، ز.، حمیدی فر، ح. و زمردیان م ع. 1400. شبیه‌سازی عددی سرعت جریان در اطراف پایه‌های پل تکی و دو قلو با چیدمان‌های مختلف با استفاده از مدل فلوئنت. نشریه مهندسی عمران امیرکبیر. 53(9): (پذیرفته‌شده در نوبت چاپ).
حسینی، س. ح. 1388. تأثیر توأم صفحات مستغرق و طوق در کاهش آبشستگی اطراف پایه‌های پل مستطیلی با دماغه گرد. پایان­نامه کارشناسی ارشد. دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز.
حسینی، ه.، هاتف، ن. و بیدختی، ن. 1393. شبیه‌سازی سه‌بعدی حفره‌ی آبشستگی اطراف تکیه‌گاه پل با دیواره‌ی قائم با نرم‌افزار .FLOW-3D مجله مهندسی عمران. 2(1): 23-117.
سعادتی، ا. و زین­العابدینی، م. 1394. اصول شبیه­سازی مقدماتی و پیشرفته دینامیک سیالات محاسباتی با استفاده از نرم‌افزارهای FLUENT و CFX. به سفارش شرکت مهندسی پرداد پترو دانش، تهران.
صیادی ا. 1387. حل معادله‌های میدان جریان و انتقال رسوب در اطراف پایه‌ی پل‌ها و محاسبه‌ی عمق آبشستگی موضعی با استفاده از روش عناصر محدود. مجله علمی پژوهشی مهندسی منابع آب. 1(1): 77-85.
عباس نیا، ا. و محجوب، ا. 1394. بررسی ابعاد طوقه‌ی پایه پل در رژیم‌های مختلف جریان با استفاده از تنش برشی (با استفاده از نرم‌افزار Flow-3D). کنفرانس بین‌المللی پژوهش‌های نوین در عمران، معماری و شهرسازی، تهران.
قاسم­زاده، ف. 1394. شبیه­سازی مسائل هیدرولیکی در FLOW-3D. انتشارات نوآور، تهران.
کاردان، ن.، حسن­پور، ن. و حسین زاده دلیر، ع. 1397. ارزیابی نتایج تجربی و عددی فرسایش بستر پیرامون پایه­های پل با مقاطع هندسی مختلف. نشریه تحقیقات مهندسی سازه­های آبیاری و زهکشی. 19(71): 19-36.
محجوب، ب.، محمد نژاد، ب. و بهمنش، ج. 1393. مدل‌سازی عددی آبشستگی موضعی اطراف گروه پایه پل و مقایسه با نتایج آزمایشگاهی. نشریه آب وخاک.28(1): 267-275.
نظری شربیان، ع.1395. پایان‌نامه ارشد: بررسی کارایی روش‌های مختلف کنترل آبشستگی در پل‌های رودخانه‌ای با استفاده از روش عددی Flow-3D. موسسه آموزش عالی پارسیان، قزوین.
Abed, B. Sh. and Majeed, H. Q. 2020.The behavior of scouring around multiple bridge piers having different shapes. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, IOP Publishing, doi:10.1088/1757-899X/745/1/012158.
Dehghani, A.A., Esmaeili, T., Chamg, W. and Dehghani, N. 2013. 3D Numerical simulation of local scouring under hydrographs.Water  Management. 166(3) :120-131.
Dey, S., Bose, S. K. and Ghandikota, L.N. 1995. Clear water scour at circular piers: a model. Journal of Hydraulic Engineering. 121(12): 869-876.
Drysdale, D.M. 2008. The effectiveness of an aerofoilshaped pier in reducing downstreamvortices and turbulence. University of Southern Queensland.
Ettema, R., Melville, B. W. and Barkdoll, B. B. 1998. Scale effect of pier scour experiments. Journal Hydraulic Engineering.ASCE. 124(6):639-642.
Ghaderi, A. and Abbasi, S. 2019. CFD simulation of local scouring around airfoil-shaped bridge piers with and without collar.Sadhana (Indian Academy of Sciences). 44(10):216.
Ghasemi, M. and soltani-Gerdefaramarzi, S. 2017.The scour bridge simulation around a cylinderical pier using Flow-3D.Journal of Hydrosciences and Environment. 1(2): 46-54.
Haung, W. Yang, Q. and Xiao, H. 2009.CFD modeling of scale effects on turbulence flow and scour around bridge piers. Journal of Computers & Fluid. 38: 1050-1058.
Jalal, H. K. and Hasan, W. H. 2020. Three-dimensional numerical simulation of local scour around circular bridge pier using Flow-3D software, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, IOP Publishing, doi:10.1088/1757-899X/745/1/012150.
Jia, Y. Altinakar, M. and Guney, M. S. 2018.Three-dimensional numerical simulations of local scouring around bridge piers. Journal of Hydraulic Research,  56(3):351-366. 
Kardan,  N., Hakimzade, H. and Hasanzadeh, Y. 2017.  Investigation of the dynamics bed shear stress distribution around a circular cylinder using various turbulences model.Engineering Journal. 21(7): 76-86.
Kaustubh, Ch. and Bharat, J. 2019.CFD simulation of local scouring around bridge pier.International Journal of Engineering and Advanced Technology. 9(1): 1870-1880.
Lauchlan, C. S. 1999. Pier scour countermeasures. Ph.D Thesis.University of Auckland.New Zealand.
Omara, H., Elsayed, S.M., Abdeelaal, G.M., Abd-Elhamid, H.F and Tawfik, A. 2018. Hydro morphological numerical model of the local scour process around bridge piers. Arabian Journal for Science and Engineering.
Rasaei, M., Nazari, S. and Eslamian, S. 2020. Experimental and numerical investigation the effect of pier position on local scouring around bridge pier at a 90° convergent bend. Journal of Hydraulic Research, 6(1): 55-76.
Raudkivi, A.J. and Ettema, R. 1985. Scour at cylindrical piers in armored beds. Journal of  Hydraulic Engineering. 111(4): 713-731.
Salaheldin,T.M., Imran, j. and Chaudhry, M.H. 2004. Numerical modeling of three-dimensional flow field around circular piers, Journal of Hydraulic Engineering. 130(2):  91–100.
Yu, P. and Zhu, L. 2020.Numerical simulation of local scour around bridge piers using novel inlet turbulent boundary conditions. Journal of Ocean Engineering