مطالعه آزمایشگاهی و عددی الگوی جریان و شدت تلاطم در نواحی مرده کناری در یک کانال متقارن

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه آموزشی علوم مهندسی آب دانشکده کشاورزی دانشگاه فردوسی مشهد

2 دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا. همدان. ایران.

3 دانشجو گروه مهندسی و علوم آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران.

4 پروفسور، گروه مکانیک، دانشکده مکانیک (IRDL)، دانشگاه UBO، برست، فرانسه.

چکیده

نواحی مرده کناری جزء مناطق ذخیره اصلی در محیط زیست رودخانه هستند که تبادل جریان در کانال اصلی می‌تواند نوع جریان در این نواحی را به شدت تحت تاثیر خود قرار دهد. در پژوهش حاضر مطالعه آزمایشگاهی و عددی برای شبیه سازی جریان در یک کانال متقارن، شامل ده ناحیه مرده منظم در دو طرف کانال انجام گرفت. سرعت جریان سطحی در نواحی مرده دارای ابعاد مختلف با استفاده از روش پردازش تصویر اندازه‌گیری شد. برای مدل سازی عددی جریان نیز از مدل عددی STARCCM+ تحت مدل تلاطمی LES استفاده گردید. در نهایت الگوی جریان و نمودار شدت تلاطم برای داده‌های آزمایشگاهی و محاسباتی مدل عددی ترسیم گردید. نتایج نشان داد که بیشینه شدت تلاطم در مرز ناحیه مرده و کانال اصلی ایجاد می‌شود و همچنین مقدار آن با کاهش نسبت ابعاد حفره افزایش می‌یابد. بیشینه شدت تلاطم در نواحی با ابعاد بزرگتر (نسبت ابعاد کمتر از یک) سه برابر بیشینه شدت تلاطم در نواحی با ابعاد کوچکتر (نسبت ابعاد بزرگتر از یک) بود. همچنین نوع گردابه‌های ایجاد شده در نواحی با ابعاد بزرگتر، به شدت تحت تاثیر شکل کانال قرار گرفت و گردابه اولیه مشاهده نشد. اما در نواحی با ابعاد کوچکتر، گردابه اولیه و ثانویه تشکیل گردید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental and Numerical Study of flow patterns and turbulence intensity in lateral dead zone in a Symmetric Channel

نویسندگان [English]

  • HOSSEIN BANEJAD 1
  • HAMED NOZARI 2
  • farzaneh ghaemizadeh 3
  • BLAISE NSOM 4
1 Associate Professor, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran. Email: Banejad @ um.ac. ir.
2 Associate Professor, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Bu-Ali SINA University, Hamadan, Iran.
3 FARZANEH GHAEMIZADEH, Ph.D. student, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Bu-Ali SINA University, Hamadan, Iran. Email: f.ghaemizadeh92@basu.ac.ir,
4 Professor, Universite de Bretagne Occidentale, IUT de Brest-Morlaix, Institut de Recherché Dupuy de Lome, IRDL/UBO FRE CNRS 3744, 29200 Brest, France
چکیده [English]

Lateral cavities are major storage zones in riverine environments for which the mass exchanges with the main stream strongly affect the characteristics of the habitat in these dead zones. An experimental and numerical work is presented here for ten regular dead zones in a controlled symmetric open-channel. Lateral dead zones were in a different aspect ratio and water surface velocity was determined by image processing. For numerical simulation, STARCCM+ was used under LES condition. Flow pattern and turbulence intensity figures were calculated from the Image processing results and numerical data. Our results showed that the maximum intensity was obtained in boundary of main channel and dead zone, also its value increases by decreasing the aspect ratio of cavity. Maximum intensity in cavity with aspect ratio less than one, was 3 times above the cavity with aspect ratio less than one. In addition, gyres formed in regions with an aspect ratio less than one were strongly affected by the shape of the channel and no initial gyre was observed. However, in regions with aspect ratio more than one, the primary and secondary gyres were formed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flow Pattern
  • Turbulence Intensity
  • Turbulence model
  • Dead Zone

Baker, JL., Barker, T., Gray, JMNT. 2016. A two-dimensional depth-averaged µ(I)-rheology for dense granular avalanches. Journal of Fluid Mechanics. 787. 367-395.

Chanson, H. 2004. Environmental Hydraulics of Open Channel Flows. Elsevier Butterworth-Heinemann Linacre House. Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, UK.

Constantinescu, G., Sukhodolov, A. and McCoy, A. 2009. Mass Exchange in a Shallow Channel Flow with a Series of Groynes: LES Study and Comparison with Laboratory and Field Experiments. Environment Fluid Mechanic. 9, 587–615.

Drost, K. J. 2012. RANS and LES Predictions of Turbulent Scalar Transport in Dead Zones of Natural Streams. M. Sc. Thesis. Faculty of Environmental Hydraulic. Oregon State University. US.

Gualtieri, C., Jiménez, P. and Rodríguez, J. 2010. Modeling Turbulence and Solute Transport in a Square Dead Zone. Proceedings of the International Association of Hydraulic Research (IAHR). European Congress. Apr. 12-16. Edinburgh. Gran Bretagna. 94-101.

Hinterberger, C., Frohlich, J. and Rodi, W. 2007. Three-Dimensional and Depth Averaged Large-Eddy Simulations of Some Shallow Water Flows. Journal of Hydraulic Engineering. 133, 857-863.

Jackson, T. R., Haggerty, R. Apte, S. V. Coleman, A. and Drost, K. J. 2012. Defining and Measuring the Mean Residence Time of Lateral Surface Transient Storage Zones in Small Streams. Water Recourse Researches. 48(10): 105-115.

Jirka, G. H. 2001. Large Scale Flow Structures and Mixing Processes in Shallow Flows. Journal of Hydraulic Research. 39(6): 567-574.

Kevin, J., Drost, K. J., Sourabh, V., Apte, S. V., Haggerty, R. and Jackson, T. 2014. Parameterization of Mean Residence Times in Idealized Rectangular Dead Zones Representative of Natural Streams. Journal of Hydraulic Engineering. 140, 1-14.

McCoy, A., Constantinescu, G., and Weber, L. J. 2008. Numerical investigation of flow hydrodynamics in a channel with a series of groynes. Journal of Hydraulic Engineering, 134(2): 157-172.

Rossi, R. and Iaccarino, G. 2009. Numerical Simulation of Scalar Dispersion Downstream of a Square Obstacle Using Gradient-Transport Type Models. Atmospheric Environment. 43(16): 2518-2531.

Sarno, L., Carravetta, A., Martino, R., Papa, MN., Tai, Y-C., 2017. Some considerations on numerical schemes for treating hyperbolicity issues in two-layer models. Advances in water resources. 100. 183-198

Thielicke, W and Stamhuis, E J 2014 PIVlab – Towards User-friendly, Affordable and Accurate Digital Particle Image Velocimetry in MATLAB. Journal of Open Research Software, 2: e30

User Guide. 2009. Star-ccm+ version 4.04. 011.

Valentine, E. and Wood, I. 1979. Dispersion in Rough Rectangular Channels. Hydraulic Division. 105(12): 1537–1553.

Van Balen, W., Uijttewaal, W. S. J. and Blanckaert, K. 2009. Large-Eddy Simulation of a Mildly Curved Open-Channel Flow. Journal of Fluid Mechanics. 630(1): 413-442.

Weitbrecht, V., Socolofsky, S. and Jirka, G. 2008. Experiments on Mass Exchange Between Groin Fields and Main Stream in Rivers. Hydraulic Engineering. 2, 173–183.