مدل سه بعدی کانال‌های انتقال آب مرکب با بستر صلب و آبرفتی برای تعیین توزیع سرعت و رابطه دبی- اشل

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد سازه‌های آبی دانشگاه فردوسی مشهد

2 گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه فردوسی مشهد

3 دانشیار گروه مهندسی آب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

تاکنون تحقیقات زیادی برای تعیین توزیع عرضی سرعت جریان و نیز محاسبه دبی در مقاطع مرکب در حالت بستر صلب انجام شده است. این در حالی است که مقاطع مرکب رودخانه­ای دارای بستر آبرفتی بوده و از نظر هیدرولیکی تفاوت زیادی با کانال­های مرکب با بستر صلب دارند. در حالت بستر رسوبی به دلیل اثر متقابل جریان و رسوبات کف ، فرم بستر به شکل موج­دار در می­آید و باعث تغییر ضریب زبری آبراهه می­شود. همچنین الگوی جریان در مقاطع مرکب سه­بعدی بوده و بهتر است از مدل­های ریاضی سه­بعدی برای حل مسایل هیدرولیکی این مقاطع استفاده شود. در این تحقیق، با استفاده از نرم­افزار FLOW-3D، تغییرات دوبعدی و سه­بعدی سرعت جریان در مقاطع مرکب مستقیم با بستر صلب و آبرفتی شبیه­سازی شده و با داده­های آزمایشگاهی از موسسه تحقیقات والینگفورد4 مقایسه شده است. برای این منظور از داده­های توزیع عرضی سرعت و روابط دبی - اشل دو کانال بزرگ مقیاس ذوزنقه­ای شامل FCF-A با بستر بتنی و FCF-C با بستر ماسه­ای استفاده شد. نتایج نشان داد که منحنی­های هم سرعت و نیز توزیع عرضی سرعت جریان به دست آمده از نرم­افزار FLOW-3D مطابقت مناسبی با داده­های آزمایشگاهی در هر دو بخش مقطع اصلی و دشت­های سیلابی دارند. همچنین نتایج این مقایسه­ها نشان داد که مقادیر دبی کل جریان به دست آمده از نرم­افزار FLOW-3D مطابقت بسیار خوبی با داده­های آزمایشگاهی دارد به طوری­که حداکثر و میانگین خطای نسبی این نتایج برای کانال با بستر صلب به ترتیب 5/5 و 7/2 درصد و برای کانال با بستر آبرفتی به ترتیب 6 و8/3 درصد بدست آمد. در نهایت نتایج به­دست آمده از نرم­افزار FLOW-3D با نتایج روش یک­بعدی تجزیه قایم مقطع مرکب، روش مقطع واحد، نرم­افزار HEC-RAS، روش کوهرنس5، روش تقسیم مقطع وزنی، مدل تبادل دبی و نیز نتایج مدل ریاضی مقایسه شدند. این مقایسه کارایی و عملکرد مناسب­تر نرم­افزار FLOW-3D در شبیه­سازی هیدرولیکی جریان در مقاطع مرکب با بستر صلب و آبرفتی را تایید نمود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Three-dimensional model of compound channel with rigid and alluvial bed for determination of velocity distribution and discharge-stage relationship

نویسندگان [English]

  • farzad Darvish Mojeni 1
  • Saeed Reza Khodashenas 2
  • abdolreza zahiri 3
1 M.Sc.Student, Water Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad
2 Water Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad,
3 Associate Prof, Water Engineering Department, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
چکیده [English]

There are numerous investigations, which carried out regarding solution of lateral distribution of flow velocity and flow discharge computation in compound channels. Most of these researches have been in the case of rigid beds. However, compound river channels have alluvial beds and hydraulically have many differences with the experimental channel with rigid beds. In the case of alluvial bed channels due to the interaction effect of flow and bed sediments in main channel, bed forms as dunes develop and change the riverbed roughness coefficient. Furthermore, the flow pattern in compound channels is essentially three-dimensional and hence it is better to use 3-D mathematical models for solution of their hydraulic problems.
In this study using mathematical model of FLOW-3D, two and three-dimensional variations of flow velocity in straight compound channels with rigid and alluvial beds have been simulated and compared with the experimental data of Wallingford Hydraulic Research. The lateral distribution of velocities and stage-discharge curves from two large-scale trapezoidal chanals including FCF-A with rigid bed and FCF-C with alluvial bed were used in this study.
The results showed that flow velocity contours and the lateral distribution of velocity obtained by FLOW-3D model have suitable agreement with the experimental data in both cases of main channel and floodplains. The results of these comparisons also showed that the flow rates of the FLOW-3D model are in great agreement with laboratory data, so that the maximum and average of the relative errors of these results for the channel with rigid bed were 5  and 2.7% and for channels with alluvial bed it was 6% and 3.8%, respectively. Finally, the results obtained from the FLOW-3D model with the results of a one-dimensional DCM, SCM, ­HEC-RAS,COH, WDCM, EDM and the results of the SSIIM model. This comparison highlighted the superior ability of the FLOW-3D model in flow hydraulic simulation of compound channels with rigid and alluvial beds.  

کلیدواژه‌ها [English]

  • Alluvial bed
  • Calibration
  • Compound channels
  • FLOW-3D mathematical model
  • Velocity lateral distribution

مراجع

حسینی،س.م.، علوی مقدم،س.م.ر. 1386. طرح تحقیقاتی بررسی­های نظری و آزمایشگاهی در محاسبات نیم­رخ‌های سطح آب در کانال‌های مرکب، شرکت سهامی آب منطقه‌ای خراسان.
نجفیان،ش.، یونسی،ح.، پارسایی،ع.، ترابی پوده،ح. 1395. مدل­سازی فیزیکی و عددی هیدرولیک جریان در مقاطع مرکب با سیلاب دشت­های غیرمنشوری و زبر، مجله تحقیقات کاربردی مهندسی سازه­های آبیاری و زهکشی. 17. 66.
Ackers,P. 1992. Hydraulic design of two-stage channels. Journal of Water Marittim. Engineering. 96: 247-25.
Atabay,S., Knight,D.W. 2006. 1-D modelling of conveyance, boundary shear and sediment transport in overbank flow. Journal of  Hydraulic Research 44:6. 739-754.
.Bousmar,D., Zech,Y. 1999. Momentum transfer for practical flow computation in compound channels. Journal of  Hydraulic Engineering, 125:7. 696-706.
Chow,V.T . 1959. Open channel hydraulics. Mc Graw-Hill, London.
Cassells,J.B.C., Lambert,M.F., Myers,R.W.C. 2001. Discharge prediction in straight mobile bed compound channels. Proceeding of the Institution of Civil Engineers, Water & Maritime Engineering. 148:3.177-188.
Ervine,D.A., Babaeyan-Koopaei,K., Sellin,R.H.J. 2000. Two-dimensional solution for straight and meandering overbank flows. Journal of  Hydraulic Engineering 126: 653-669.
Conway,P., Osullivan,J.J., Lambert,M.F. 2012. Stagedischarge prediction in straight compound channels using 3D numerical models. Proc. of the Institution of Civil Engineers, Water and Maritime Engineering. 166: 3-15.
Fischer-Antze,T., Stosser,T., Bates,P., Olsen,N.R.B. 2001. 3D numerical modelling of open-channel flow with submerged vegetation. Journal of  Hydraulic Research 39:3. 303-310.
Huthoff,F., Roose,P.C., Augustijn,D.C.M., Hulscher,S.J.M.H. 2008. Interacting divided channel method for compound channel flow. Journal of  Hydraulic Engineering 134:8.1158-1165.
Hu,C., Ju,Z., Guo,Q. 2010. Flow movement and sediment transport in compound channels. Journal of  Hydraulic Research 48:1. 23-32.
Lambert,M.F., Sellin,R.H.J. 1996. Discharge prediction in straight compound channels using the mixing length concept. Journal of  Hydraulic Research 34: 381-394.
Lambert,M.F., Myers,W.R.C. 1998. Estimating the discharge capacity of straight compound channels. Proceeding of  Institute Civil Engineers, Water and Maritime Engneering 130:2. 84-94.
McGahey,C., Samuels,P.G., Knight,D.W. 2006. A practical approach to estimating the flow capacity of rivers-application and analysis. Int. Conf. on Fluvial Hydraulics, River Flow 2006, Taylor and Francis, Lisbon.
Othman,F., Valentine,E.M. 2006. Numerical modelling of the velocity distribution in a compound channel. Journal of  Hydrolology and Hydromechanic. 54:3. 269-279.
Sellin,R.H.J. 1964. A laboratory investigation into the interaction between the flow in the channel of a river and that over its floodplain. La Houille Blanche. 7: 703-801.
Shiono,K., Knight,D.W. 1991. Turbulent open-channel flows with variable depth across the channel. Journal of  Fluid Mechanics. 222:6. 617-646.
Seckin,G., Mamak,M., Atabay,S., Omran,M. 2009. Discharge estimation in compound channels with fixed and mobile bed. Sadhana. 34: 923-945.
Van Rijn,L.C. 1984. Sediment transport, Part I: Bed load transport. Journal of  Hydraulic Engineering 110:10. 1431-1456.
Wark,J.B., James,C.S., Ackers,P. 1994. Design of straight and meandering compound channels. Interim Guidelines on Hand Calculation Methodology, R and D Report 13, UK.
White,W.R., Paris,E., Bettes,R. 1980. The frictional characteristics of alluvial streams: a new approach. Proceeding of Insttitute of Civil Engineering. 69:2.737-75027.
Zahiri,A., Azamatullah,H.Md. 2014. Comparison between linear genetic programming and M5 tree models to predict flow discharge in compound channels. Neural Computing and Applications. 24:2. 413-420.
نشریه آبیاری و زهکشی ایران
دوره 12، شماره 1 - شماره پیاپی 67
فروردین و اردیبهشت 1397
صفحه 175-185

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار