شبیه سازی دو بعدی الگوی جریان و تغییرات بستر در آبراهه های مستقیم و پیچانرودی تحت تاثیر سازه آبشکن

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی آب، کشاورزی، شهید با هنر، کرمان، ایران

2 استاد گروه مهندسی عمران، دانشگاه شهید باهنر کرمان

3 استادیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان

چکیده

آبشکن‌ها یکی از سازه‌های مهم ساماندهی رودخانه به شمار می آیند، که برای حفاظت و شکل دادن به سواحل و آبراهه‌ها مورد استفاده قرار می گیرند. این سازه ها با طول و زاویه مناسب نسبت به راستای جریان از دیواره طبیعی رودخانه توسعه یافته، سبب انحراف جریان از کناره‌ها و هدایت آن به سمت محور مرکزی رودخانه می گردند. در این تحقیق، با استفاده از مدل عددی هیدرودینامیکی و انتقال رسوب CCHE2D به شبیه سازی الگوی جریان و تغییرات بستر آبراهه در اطراف سازه آبشکن پرداخته شد. برای ارزیابی درستی خروجی های این مدل عددی، نتایج آن با مقادیر مشاهداتی دو تحقیق آزمایشگاهی جداگانه که در این خصوص صورت گرفته بود مقایسه گردید. دقت نتایج به دست آمده از مدل در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی، با استفاده از پارامتر‌های آماری RMSE، MARE، maxRE و 2R ارزیابی گردید. مقایسه نتایج آزمایشگاهی با نتایج حاصل از مدل عددی CCHE2D نشان می دهد که این مدل می تواند با دقت مناسبی (ضریب تعیین بین 755/0 تا 955/0) الگوی جریان را در اطراف آبشکن های منفرد و سری آبشکن ها شبیه سازی نماید. همچنین تغییرات بستر آبراهه، حول سری آبشکن با دقت قابل قبولی شبیه سازی شد، که نشان داد مدل CCHE2D با دقت بالایی (ضریب تعیین 99/0) عمق آبشستگی بیشینه را پیش بینی می نماید، اما عرض چاله آبشستگی را در اطراف آبشکن، خیلی بیشتر از مقادیر مشاهده شده آزمایشگاهی نشان می دهد. علاوه بر این، نتایج مدل عددی نشان داد که عمق فرسایش کانال اصلی با طول آبشکن در سری آبشکن ها رابطه مستقیم دارد که مشاهدات آزمایشگاهی نیز این مسئله را تایید کردند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Two Dimensional Simulation of Flow pattern and Bed Changes in Straight and Meandering Channels under the Effect of Spur Dike

نویسندگان [English]

  • soudabeh aezzi 1
  • Mohammad javad khanjani 2
  • Mohammad Zounemat-Kermani 3
1 water engineer, agricultural., Shahid Bahonar , Kerman, Iran
2 Prof., Faculty of Civil Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman, Iran
3 Asist. Prof., Water Eng. Dept.,Faculty of Agric., Shahid Bahonar University of Kerman, Iran
چکیده [English]

Spur dikes as one of the main structures in river restoration practices are used for protecting and shaping the river banks and main channels. These structures growing from the river natural banks, having suitable length and angle relative to the flow direction and cause deviation of the flow from the riversides and driving it to the central axis of the river. In this study, the numerical hydrodynamic and sediment transport model “CCHE2D” was used to simulate the flow pattern and streambed changes around the spur dikes. Two separate series of experimental data were used to assess the numerical model outputs. The accuracy of the model outputs were evaluated through common statistical parameters including RMSE, MARE, REmax and R2. Comparison of the experimental results with the simulated values revealed that the CCHE2D was reasonably capable to simulate the flow pattern around the both of single and series of spur dikes with high accuracy (correlation coefficient=0.755-0.955). The bed changes around the series of spur dikes were simulated with acceptable accuracy, revealed that the CCHE2D model could precisely predict the maximum scouring depth with correlation coefficient of 0.990, but overestimated the width of scour hole around the spur dike in comparison with experimental observations. Furthermore, both the numerical results and experimental observations showed that the erosion depth of main channel had a direct relation with the length of spur dike.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bed change
  • CCHE2D
  • Flow Pattern
  • Meandering channel
  • Spur Dike
کشاورز،م.، حکیم­زاده،ح.، غال­دربندی،ر. 1387. شبیه­سازی عددی سه­بعدی الگوی جریان اطراف آبشکن­های عمود بر ساحل و مایل با در نظر گرفتن شرایط مرزی مختلف. نشریه مهندسی دریا.4. 8 :24 -11.

فتحی،م.، هنر بخش،ا.، رستمی،م.، داوودیان دهکردی،ع. 1391. شبیه­سازی الگوی جریان با یک مدل عددی دوبعدی در بازه­ای از یک پیچان­رود طبیعی، مطالعه موردی رودخانه خشکه رود فارسان. مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی، علوم آب و خاک. 62:107-95.

میرپنجی،س.، موسوی جهرمی،س و موسوی،ب. 1391. بررسی تاثیر مشخصات هندسی و هیدرولیکی آبشکن قایم بر آبشستگی کناره رودخانه با استفاده از مدل CCHE2D. یازدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، آبان­ماه، انجمن هیدرولیک ایران، دانشگاه ارومیه.

نوروزی،ح.، نیشابوری،س.ع.، نصیری صالح،ف.، آذردرخش،م. 1388. شبیه­سازی سه­بعدی عددی آبشستگی حول آبشکن. مجله فنی مهندسی مدرس. 36:22-13.

واقفی،م.، قدسیان،م و صالحی نیشابوری،س.ع. 1388. بررسی اثر موقعیت استقرار آبشکن­هایT شکل در قوس 90 درجه بر میزان آبشستگی اطراف آن­ها. هفتمین کنفرانس هیدرولیک ایران، آبان­ماه، دانشگاه صنعت آب و برق، تهران.

 

Acharya,A and Duan,G.J. 2011. Three dimensional simulation of flow field around series of spur dikes. World Environmental and Water Resources Congress. United States of America. 2085-2094.

Duan,G.J and Nanda,S.K. 2006. Two dimensional depth-averaged model simulation of suspended sediment concentration distribution in a groyne field. Hydrology. 327: 426-437

Giri,S and Shimizu,Y. 2004. Observation on bed variation in a meandering like flume with river training structures. Hydraulic Engineering. 48:1069-1074

Giri,S. Shimizu,Y and Surajate,B. 2004. Laboratory measurement and numerical simulation of flow and turbulence in a meandering-like flume with spurs. Flow Measurement and Instrumentation. 15: 301–309

Hiroshi,T., Nakagawa,H., Kawaike,K and Zhang,H. 2008. Flow and sediment transport around impermeable or permeable groins. Hydraulic Engineering. 52: 175-180

Jia,Y and Wang,S.Y. 1999. Numerical model for channel flow and morphological change studies. Hydraulic Engineering. 125: 924-933

Keh,C.H.Y., Sam,S.Y., Wang,H.C., Chung,T.L., Jia,Y and Zhang,Y. 2010. Numerical simulation of sediment transport and morphological change of upstream and downstream reach of Chi-Chi weir. Numerical Simulations- Examples and Applications in Computational Fluid Dynamics. 311-326

Neveen,B.A. 2011. The effect of inclined groins on the flow. Water Resources and Environmental Engineering. 3.8:167-175.

Noha,J., Leea,S and Kim, j. 2012. Numerical modeling of flow and scouring around a cofferdam. Hydro-Environmental Research. 6: 299-309

Rajaratnam,N and Neachukwu,B.A. 1983a. Erosion near groin-like structures. Hydraulic Research. 21: 277-287.

Rajaratnam,N and Neachukwu,B.A. 1983b. Flow near groin-like structures. Hydraulic Engineering. 109.3: 463-480.

Sharma,K and Mohapatra,K.P. 2012. Separation zone in flow past a spur dyke on rigid bed meandering channel. Hydraulic Engineering. 138.10: 897-901.

Wu,W. 2001. CCHE2D, Sediment Transport Model, Version 2.1, National Center for Computational Hydro science and Engineering, Technical Report No. NCCHE-TR-2001-3.

Zhang,Y and Jia,Y. 2009. CCHE-MESH: 2D Structured Mesh Generator User's Manual- Version 3.x. Version 2.1, National Center for Computational Hydro science and Engineering, Technical Report No. NCCHE-TR-2009-01:1-146.

Zange,H., Nakagawa,H and Mizutani,H. 2012. Bed morphology and grain size characteristics around a spur dyke. International Journal of Sediment Research. 27: 141-157.