بررسی عددی جریان ناشی از شکست سد با حمل رسوب بر روی بسترهای زنده با استفاده از Mike 3 Flow Model FM

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه مهندسی آب، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 دانشجوی دکتری سازه‌های آبی، گروه مهندسی آب دانشگاه ارومیه

چکیده

جریان­های ناشی از شکست سد می­تواند باعث فرسایش، انتقال و رسوب­گذاری ذرات شده و منجر به مشکلات ریخت­شناسی شدید گردد. بنابراین برهم­کنش میان جریان، انتقال رسوب و ریخت­شناسی رودخانه منجر به ایجاد انگیزه برای مطالعه جریان ناشی از شکست سد روی بستر فرسایش پذیر می­شود. در تحقیق حاضر از مدل سه­بعدی Mike3 Flow Model FM برای شبیه­سازی جریان ناشی از شکست سد با انتقال رسوب روی بستر فرسایش‌پذیر استفاده شد. مدل مذکور با استفاده از یک آزمایش پایه انجام­شده بر روی فلوم با بازشدگی ناگهانی برای بررسی جریان ناشی از شکست موضعی سد روی بستر فرسایش­پذیر آزموده شد. مقایسه بین داده­های آزمایشگاهی و نتایج شبیه­سازی عددی نشان داد که مدل Mike3 Flow Model FM  قادر به پیش­بینی قابل­قبولی از جریان­های پیچیده شکست سد و الگوی فرسایش و رسوب­گذاری در پایین‌دست سد می­باشد. همچنین نتایج این تحقیق نشان داد که پارامترهای مهمی نظیر عمق آب، گسترش سیلاب، پروفیل کف بستر، پروفیل زمانی سرعت توسط مدل ریاضی به درستی شبیه­سازی می­شود. علاوه بر آن نتایج تحقیق حاضر نشان داد که مدل سه­بعدی مذکور دقت تغییرات مورفولوژی محاسبه شده در مراحل اولیه از جریان شکست سد، در نزدیکی جبهه موج را بهبود می­بخشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

3D Numerical Simulation of Dam-Break Flows with Sediment Transport over Movable Bed using Mike 3 Flow Model FM

نویسندگان [English]

  • Mohammad Hemmati 1
  • mina Soudi 2
  • vahid Naderkhanloo 2
1 Assistant professor of water engineering, Urmia University., Urmia., Iran
2 Ph.D. Student of Hydraulic Structures, Urmia University, Urmia, Iran.
چکیده [English]

Dam-break flows can erode, transport and deposit sediment particles and create severe morphological problems such as significant alternations to river channel, banks, and floodplains, devastating scour around hydraulic structures and so on. Therefore, the interactions between flow, sediment transport, and channel morphology have raised a strong motivation to study dam-break flows on movable beds. In this research Mike 3 Flow Model FM have been used to simulate dam-break flows with sediment transport over movable beds. The model is finally tested using a benchmark experiments carried out in a sudden-expanded flume to investigate the partial dam-break flow over movable beds. The simulation results of water level and bed changes are in reasonably good agreement with the experimental measured data. Comparison between experimental and numerical results revealed that the Mike 3 Flow Model FM able to predict dam-break flows, erosion, and sedimentation process at the downstream of the dam. Also, the present research showed that the parameters such as flow depth, flood domain, spread time of flood wave and time series of velocity correctly simulated by mentioned model. Moreover, the present results reveal that the mentioned 3D model improves the accuracy of calculated morphological changes at the initial stages of dam-break flow, near the wave front.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dam-break
  • Mike 3 Flow Model FM
  • Movable bed
  • Sediment transport
  • Simulation

ندرخانلو،و.، صمدی،ر.ع.، مظاهری،م و سپهری،ج. ۱۳۹۳. شبیه‌سازی عددی و آزمایشگاهی سیلاب ناشی از شکست سد. سیزدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، 23-21 آبان، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران.

Ali,M., Sterk,G., Seeger,M., Boersema,M., and Peters,P. 2012. Effect of hydraulic parameters on sediment transport capacity in overland flow over erodible beds. Hydrology and Earth System Sciences. 16.2: 591-601.

Amoudry,L.O and Liu,P.L.-F. 2009. Two-dimensional two-phase granular sediment transport model with applications to scouring downstream of an apron. Coastal Engineering. 56.7: 693-702.

Anon,Y. 2012. Dam-break flows over mobile beds: Experiments and benchmark tests for numerical models. International association for hydraulic research (IAHR) working group for dam-break flows over mobile beds.  Journal of hydraulic engineering. 50.4: 364-375.

Cao,Z., Pender,G., Wallis,S and Carling,P. 2004. Computational dam-break hydraulics over erodible sediment bed. Journal of hydraulic engineering. 130.7: 689-703.

Cao,Z., Li,Z., Pender,G and Hu,P. 2012. Non-capacity or capacity model for fluvial sediment transport. Water Management, 165.4:193-211.

Capart,H and Young,D.L. 1998. Formation of jump by the dam-wave over a granular bed. Journal of Fluid Mechanics. 372: 165-187.

Capart,H and Young,D.L. 2002. Two-layer shallow water computations of torrential flows. In Proceedings of River Flow. Balkema Lisse Netherlands.1003-1012.

Formann,E., Habersack,H.M and Schober,St. 2007. Morphodynamic river processes and techniques for assessment of channel evolution in Alpine gravel bed rivers. Geomorphology. 90.3-4: 340-355.

Fraccarollo,L and Capart,H. 2002. Riemann wave description of erosional dam break flows. Journal of Fluid Mechanics. 461: 183-228.

Greco,M., Iervolino,M., Leopardi,A and Vacca,A. 2012. A two-phase model for fast geomorphic shallow flows. International Journal of Sediment Research. 27.4: 409-425.

Haltas,I., Tayfur,G., Elci,E. 2016. Two-dimensional numerical modeling of flood wave propagation in an urban area due to  dam-break,Izmir, Turkey. Natural Hazards. 81.3: 2103-2119.

Longo,S. 2005. Two-phase flow modeling of sediment motion in sheet flows above plane beds. Journal of hydraulic engineering. 131.5: 366-379.

Larocque,L.A., Imran,J., Chaudhry,M.H. 2013. 3D numerical simulation of partial breach dam-break flow using the LES and k–ϵ turbulence models. Journal of Hydraulic Research. 51.2:145-157.

Marsooli,R and Wu,W. 2014. 3-D finite-volume model of dam-break flow over uneven beds based on VOF method. Advances in Water Resources. 70: 104–117.

Pasquale,N., Perona,P., Schneider,P., Shrestha,J., Wombacher,A and Burlando,P. 2011. Modern comprehensive approach to monitor the morphodynamic evolution of a restored river corridor. Hydrology and Earth System Sciences. 15.4: 1197-1212.

Paquier,A and Goutal,N. 2016. Dam and levee failures: an overview of food wave propagation modeling. La Houille Blanche - Revue internationale de l'eau, EDP Sciences. 5-12.

Wu,W., Wang,S.S.Y and Jia,Y. 2000. Non-uniform sediment transport in alluvial rivers. Journal of Hydraulic Research. 38.6: 427–434.

Wu,W and Wang,S.S.Y. 2007. One-dimensional modeling of dam break flow over movable beds Journal of hydraulic engineering. 133.1: 48–58.

Wu,W. Marsooli,R and He,Z. 2012. A depth-averaged two-dimensional model of unsteady flow and sediment transport due to noncohesive embankment break/breaching. Journal of hydraulic engineering. 138.6: 503–516.

Yang,C., Lin,B.L., Jiang,C.B and Liu,Y. 2010. Predicting near-field dam-break flow and impact force using a 3D model. Journal of Hydraulic Research. 48.6: 784-792.

Xia,J., Lin,B., Falconer,A and Wang,G. 2010. Modeling dam-break flows over mobile beds using a 2D coupled approach. Advances in Water Resources. 33.2: 171-183.

Zhang,S., Duan,J and Strelkoff,T. 2013. Grain-scale nonequilibrium sediment-transport model for unsteady flow. Journal of hydraulic engineering. 139.1: 22–36.

Zima,P. 2007. Two-dimensional vertical analysis of dam-break flow. Task Q., 11.4: 315-328.