بررسی توزیع تنش برشی بستر در کانال‌های مرکب مستقیم با استفاده از شبیه‌سازی عددی و مقایسه نتایج Ansys Fluent و Flow-3D

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب دانشگاه فردوسی مشهد

2 استاد گروه مهندسی آب،دانشگاه فردوسی مشهد- مشهد،ایران

3 علوم ومهندسی آب- دانشگاه فردوسی مشهد- مشهد - ایران

چکیده

تمایز اصلی مقاطع مرکب با مقاطع ساده در کانال‌ها به دلیل اختلاف سرعت بین سیلابدشت و کانال اصلی می‌باشد. این تغییر سرعت، در نهایت موجب تغییرات در توزیع تنش برشی بستر کانال می‌گردد. ساختار آشفتگی جریان در کانال‌های مرکب به دلیل ترکیب تنش برشی مرزی و تنش رینولدز در نزدیکی فصل مشترک سیلابدشت و کانال اصلی، پیچیده است. با توجه به آنکه هیدرولیک جریان در رودخانه‌ها که نوعی کانال مرکب به حساب می‌آیند، تابع شکل آن‌ها می‌باشد و تغییرات شکل کانال تابع تنش برشی وارد بستر است، تعیین توزیع تنش برشی بستر در رودخانه‌ها نیز از اهمیت زیادی برخوردار است. در این تحقیق، توزیع تنش برشی مرزی در کانال‌های مرکب با 2 مدل عددی نرم‌افزارهای Fluent و Flow-3D شبیه‌سازی گردیده و با داده‌های آزمایشگاهی واقعی (والینگفورد انگلستان) مقایسه شده‌اند، همچنین مقایسه‌ای بین نتایج خروجی توزیع تنش برشی در مقطع مرکب بر مبنای روش YLM نیز صورت گرفته است. برای صحت-سنجی نتایج شبیه‌سازی از 3 روش تعیین هم‌گرایی (پارامترخطا) با نتایج تجربی استفاده شده است. بررسی نتایج نشان داد که تطابق بسیار خوبی بین نتایج مدل‌های عددی و با داده‌های آزمایشگاهی وجود دارد و در نتیجه هر دو نرم‌افزار می‌توانند توزیع تنش برشی را به نحو مناسبی محاسبه نمایند. در مجموع نتایج عددی نرم‌افزار Fluent در مقایسه با نرم‌افزار Flow 3D به داده‌های آزمایشگاهی نزدیک‌تر بودند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigating the Bed Shear Stress Distribution in the Straight Compound Channels Using Numerical Simulation and Comparing the Results of Ansys Fluent and Flow-3D

نویسندگان [English]

  • Armin Boostani 1
  • Saeed Reza Khodashenas 2
  • kazem Esmaili 3
1 Water Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad
2 Water Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad, Iran
3 water science and engineering. ferdowsi university of mashhad- mashhad -Iran
چکیده [English]

The main difference between compound sections and simple sections in channels is due to the velocity difference between the floodplain and the main channel. This velocity change ultimately causes changes in the shear stress distribution of the bed canal. The structure of flow turbulence in compound channels is complex due to the combination of boundary shear stress and Reynolds stress near the interface of the floodplain and the main channel .Due to the fact that the flow hydraulics in rivers, which are considered to be a type of compound channel, depends on their shape and the changes in canal shape are dependent on bed shear stress, determining the distribution of bed shear stress in rivers is also of great importance. In this study, the boundary shear stress distribution in compound channels has been simulated with 2 numerical models of Fluent and Flow-3D software and compared with real experimental data (Wallingford, England), as well as a comparison between the output results of the shear stress distribution in the compound section is also performed based on the YLM method. To verify the accuracy of the simulation results, 3 methods of determining the convergence (error parameter) have been used to compare the computational results with the experimental results. The results showed that there was a very good match between the results of the numerical models and the experimental data, and as a result, both software could calculate the shear stress distribution appropriately. Generally, the numerical results of fluent software were closer to the experimental data compared to Flow 3D software.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ansys Fluent
  • Compound Channels
  • Flow-3D
  • Shear Stress
  • YLM Method

مراجع

ظهیری، ع.، کریمی، م. ر.، مفتاح، م. و دهقانی، ا. ا. 1400. حل عددی توزیع دوبعدی سرعت جریان در مقاطع مرکب مستقیم. نشریه دانش آب و خاک. 31(3):  47-60.
گیوه­چی، م. 1388. برآورد توزیع سرعت متوسط عمقی و تنش برشی کانال­های باز و کاربرد آن­ها در تخمین ضریب انتشار طولی. رساله دکتری مهندسی عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد.
Abril, J.B. and Knight, D.W. 2004. Stage- discharge prediction of rivers in flood applying a depth- averaged model. Journal of Hydraulic Research. 42(6):616-629.
Amel Sadeghi, M., Shafai Bajestan, M. and Saneie, M. 2010. Experimental Investigation on Flow Velocity Variation in Compound Channel with Non-submerged Rigid Vegetation in Flood-Plain. World Applied Sciences Journal. 9(12):1398-1402.
Chang, T.J., Kao, H.M., Chang, K.H. and Hsu, M.H. 2011. Numerical simulation of shallow-water dam break flows in open channels using smoothed particle hydrodynamics. Journal of Hydrology. 408(1-2):78-90.
Ding, S.W., Zeng, C., Zhou, J., Wang, L.L. and Chen, C. 2021. Impact of depth ratio on flow structure and turbulence characteristics of compound open channel flows. Water Science and Engineering. 15(3):265-272.
Hirt, C.W. and Nichols, B.D. 1981. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics. 39(1): 201-225.
Khodashenas, S.R. 1998. Modification de la topographie dune riviere due au transport des sediments. Ph.D Thesis Ecole Centrale de Lyon, France (In English).
Khodashenas, S.R., Abderezzak, E.K. and Paquier, A. 2008. Boundary Shear Stress in Open Channel Flow: A Comparison among Six Methods. Journal of Hydraulic Research. 46(5):598-609.
Knotek, S. and Jícha, M. 2014. Modeling of shear stress and pressure acting on small-amplitude wavy surface in channels with turbulent flow. Applied Mathematical Modelling. 38(15-16):3929-3944.
Maghsoodi, R., Khademalrasoul, A. and Sarkardeh, H. 2022. 3D numerical simulation of dam-break flow over different obstacles in a dry bed. Water Supply. 22(4):4015-4029
Mohanty, P.K. and Khatua, K.K. 2014. Estimation of discharge and its distribution in compound channels. Journal of Hydrodynamics. 26(1):144-154.
Mohanty, P.K, Khatua, K.K. and Patra, K.C. 2011. Investigation on shear layer in compound channels. National Conference Hydraulic and Water Resources Hydro, December 29-30, SVNIT Surat, Surat.
Naot, D., Nezu, I. and Nakagawa, H. 1993. Hydrodynamic behavior of compound rectangular open channels. Journal of Hydraulic Engineering. 119(3):390-408.
Patel, P.L., Porey, P.D. and Patel, S.B. 2010. Computation of critical tractive stress of scaling sizes in non-uniform sediments. Journal of Hydraulic Research. 48(4): 531-537.
Proust, S. and Nikora, V.I. 2020. Compound open-channel flows: effects of transverse currents on the flow structure. Journal of Fluid Mechanics. 885:1-38.
Sarmiento, O.A. and Falcon, M.A. 2006. Critical bed shear stress for unisize sediment. Journal of Hydraulic Engineering. 132(2): 172-179.
Shiono, K. and Knight, D.W. 1991. Turbulent open-channel flows with variable depth across the channel. Journal of Fluid Mechanics. 222: 617-646.
Singh, P.K., Tang, X. and Rahimi, H. 2020. A Computational Study of Interaction of Main Channel and Floodplain: Open Channel Flows. Journal of Applied Mathematics and Physics. 8(11):2526-2539.
Sofialidis, D. and Prinos, P. 1999. Numerical study of momentum exchange in compound open channel flow. Journal of Hydraulic Engineering. 125(2):152-165.
Tominaga, A. and Nezu, I. 1991. Turbulent structure in compound open-channel flows. Journal of Hydraulic Engineering. 117(1): 21-41.
Wilcox, D.C. 1998. Turbulence modeling for CFD (Vol. 2, pp. 103-217). La Canada, CA: DCW industries.
Yang, S.Q. 2005. Interactions of boundary shear stress, secondary currents and velocity. Fluid Dynamics Research. 36(3):121-136.
Yang, S.Q. and Lim, S.Y. 2005. Boundary shear stress distributions in trapezoidal channels. Journal of Hydraulic Research. 43(1):98-102
نشریه آبیاری و زهکشی ایران
دوره 17، شماره 2 - شماره پیاپی 98
خرداد و تیر 1402
صفحه 351-364

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار