flow pattern
در نشریات گروه آب و خاک-
مسیرهای خم رودخانه از مناطق مهم در بررسی الگوی جریان به شمار می روند. جریان در خم های رودخانه تحت تاثیر نیروی گریز از مرکز و گرادیان فشار قرار دارد. با توجه به آنکه رودخانه ها دارای شیب های بستر مختلف بوده اند، بنابراین، مطالعه الگوی جریان سه بعدی در این گونه از مجاری اهمیت بالایی دارد. هدف این مقاله بررسی مولفه های سرعت سه بعدی جریان در خم های ملایم و تند 90 درجه با بستری شیب دار بوده است. آزمایش ها در کانالی با نسبت شعاع انحنای مرکزی به عرض دو، چهار و شش انجام شده که اندازه گیری سرعت جریان با استفاده از سرعت سنج Vectrino که از پیشرفته ترین انواع سرعت سنج هاست، صورت گرفته است. نتایج نشان داد که به دلیل وجود مولفه وزن سیال آب در راستای شیب بستر، حداکثر سرعت طولی جریان در بخش های ابتدایی خم برای خم های ملایم در نزدیکی دیواره خارجی رخ می دهد، درحالی که در بخش های انتهایی به نزدیکی میانه عرض کانال منتقل می شود. در همه اعداد فرود و در همه قوس ها نیم رخ عرضی سرعت به دولایه یکی نزدیک به دیواره خارجی قوس با میزان حداکثر سرعت و در لایه نزدیک به دیواره داخلی نیمرخ حداقل سرعت در فاصله 25 درصدی عرض کانال قابل تفکیک می باشد همچنین مشاهده شد با افزایش دوبرابری عدد فرود از مقدار 05/0 به 1/0 موقعیت بیشینه تنش برشی از محدوده تا زاویه 30 درجه، به محدوده تا زاویه 50 درجه مقطع و در نزدیکی دیواره خارجی امتداد یافته است.کلید واژگان: سرعت سه بعدی، الگوی جریان، سرعت سنج Vectrino، مطالعه آزمایشگاهیMeanders in rivers are critical areas for studying flow patterns. Flow within river bends is influenced by centrifugal forces and pressure gradients. Given that rivers exhibit various bed slopes, studying the three-dimensional flow pattern in such channels is of significant importance. The objective of this study was to investigate the three-dimensional velocity components of flow in gentle and sharp 90-degree bends with sloped beds. Experiments were conducted in a channel with central curvature radius-to-width ratios of two, four, and six. Velocity measurements were performed using the Vectrino velocity meter, one of the most advanced instruments for measuring flow velocity. The results indicated that due to the effect of the water's weight component along the bed slope, the maximum longitudinal flow velocity in the initial sections of the bend for gentle bends occurs near the outer wall. However, in the later sections, it shifts closer to the middle of the channel width. Across all Froude numbers and all bends, the transverse velocity profile could be divided into two layers: one near the outer wall of the bend with maximum velocity and another near the inner wall of the bend with minimum velocity, located at 25% of the channel width. It was also observed that by doubling the Froude number from 0.05 to 0.1, the location of maximum shear stress extended from the range of up to 30 degrees to the range of up to 50 degrees of the bend section, and was concentrated near the outer wall.Keywords: Three-Dimensional Velocity, Flow Pattern, Vectrino Velocimeter, Experimental Study
-
پلها برای برقراری راه های ارتباطی اهمیت بالایی دارند و همه ساله پلهای زیادی به علت آبشستگی اطراف تکیه گاه تخریب میشوند. آبشکن ها سازه های هیدرولیکی هستند که با انحراف خطوط جریان از سازه های ساحلی، فرسایش را کاهش میدهند. در این مقاله یک آرایش مثلثی برای آبشکنهای نفوذپذیر پیشنهاد شده و عملکرد آن با آبشکنهای خطی در کنترل آبشستگی تکیهگاه به صورت عددی بررسی و مقایسه شده است. برای امکان مقایسه ی صحیح، نسبت نفوذپذیری و فاصله ی استقرار هر دو آرایش مثلثی و خطی یکسان فرض شد. همچنین به جهت رعایت تناسب، طول و فواصل آبشکنهای مثلثی و خطی در جهت عرض و طول کانال یکسان فرض شد. نتایج نشان میدهد که آرایش خطی سری سه تایی دو ستونه نسبت به آرایش مثلثی مشابه، عملکرد بهتر و آرایش خطی سری چهار و پنج تایی دو ستونه نسبت به آرایش مثلثی مشابه عملکرد بدتری دارد. همچنین در میان تمامی مدلها، آرایش مثلثی معادل دو سری پنج تایی بهینه ترین بوده و به میزان 44 درصد عمق آبشستگی را نسبت به حالت شاهد (تکیه گاه بدون آبشکن محافظ) کاهش میدهد.کلید واژگان: آبشستگی موضعی، آبشکن محافظ، الگوی جریان، تکیه گاه، رسوب گذاریBridges are important for establishing communication routes, and every year many bridges are destroyed due to scouring around the support. Spur dike are hydraulic structures that reduce scouring by diverting streamlines from structures. In this paper, a triangular arrangement for permeable spur dikes is proposed, and its performance with linear spur dikes in controlling the scouring of the abutment is numerically investigated and compared. To make a correct comparison, the permeability ratio and the distance of both triangular and linear arrangements were assumed to be the same. The results show that the linear arrangement of three series of two columns performs better than the similar triangular arrangement, and the linear arrangement of four and five series of two columns performs worse than the similar triangular arrangement. Also, among all the models, the triangular arrangement equivalent to two series of five is the most optimal. It reduces scour depth by 46% compared to the control case (Abutment without protective spur dike).Keywords: Abutment, Flow Pattern, Local Scour, Protective Spur Dike, Sedimentation
-
انحراف آب از مسیر اصلی برای اهداف مختلف آب رسانی توسط آبگیرها انجام می شود. ازجمله روش های مناسب انحراف آب رودخانه ها به دشت های مجاور استفاده از آبگیر جانبی است. ایجاد چنین سیستمی باعث به وجود آمدن جریان بسیار پیچیده ای در محدوده ی آبگیر جانبی می شود. با نزدیک شدن جریان به کانال آبگیر جانبی بردارهای سرعت به سمت آبگیر هدایت می شوند. در این طرح به بررسی اثر دیوار جداکننده بر هیدرولیک جریان رودخانه قبل از آبگیر جانبی پرداخته شده است و بدین منظور از دیوار جداکننده در دو حالت مستغرق و غیر مستغرق در پنج دبی 40،50،60،70 و 85 لیتر بر ثانیه و دو حالت بازشدگی دریچه با 30 و 100 درصد بازشدگی استفاده گردید. مقدار عمق جریان در قبل و بعد از دیوار مستغرق و غیرمستغرق با حالت شاهد مقایسه گردید. نتایج نشان داد که دیوار مستغرق اثر بیشتری نسبت به دیوار غیر مستغرق بر عمق جریان دارد و در بسیاری از دبی ها موجب کاهش عمق جریان در پایین دست آبگیر گردید. بیشترین مقدار کاهش معادل 76/4 درصد در دبی 40 لیتر بر ثانیه و بازشدگی 100 درصد دریچه در اثر کارگذاری دیوار مستغرق بود. جهت بررسی اثر دیوار مستغرق بر سرعت جریان، مقادیر سرعت جریان در سه نقطه ابتدا، وسط و انتهای دیوار، در پنچ دبی 40،50،60،70 و 85 لیتر بر ثانیه موردبررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد درصد کاهش سرعت در میانه دیوار نسبت به ابتدای آن به ترتیب برابر 60، 2/55، 9/45، 5/37 و 4/29 درصد است که با افزایش دبی اثر دیوار بر مقادیر سرعت نیز کاهش یافت. بررسی اثر دیوار جداکننده در دو حالت مستغرق و غیر مستغرق بر مقدار دبی آبگیر نشان داد که مانع غیر مستغرق در تمامی دبی ها به طور نامحسوسی موجب کاهش دبی آبگیر شده است؛ اما دیوار مستغرق در دبی 40 لیتر بر ثانیه موجب افزایش دبی به مقدار 29/12% گردید. با افزایش دبی اثر این دیوار بر دبی آبگیر نیز کاهش پیدا خواهد کرد.
کلید واژگان: الگوی جریان، عمق جریان، آبگیر جانبی، دیوار جداکنندهIntroductionOne of the problems of most intakes is the accumulation of sediments in the inlet, which significantly reduces their capacity. In addition, sediments entering the intake channel also increase the problems caused by the lack of control of the sediments entering the intakes. Its transfer into irrigation canals and facilities causes many issues due to transporting sediments or settling them in different parts., Pay more attention to controlling sediments in water intake projects to reduce dredging costs and prevent sediments from entering the openings. There are various methods to reduce or prevent sediment entry into the intake inlet. In this research, the effect of several types of structures is investigated to reduce the sedimentation at the intake inlet. So, the effect of the longitudinal separating wall system on the flow patterns of the flow velocity and depth values before the intake inlet was investigated. In this regard, the investigation of the mentioned new structure to modify the flow and sediment pattern for different discharges was carried out experimentally.
MethodologyExperimental model In this research, the physical model of the Hemet intake was built in the hydraulic laboratory of the Faculty of Water and Environmental Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz. The area of the Shahid Hemat Shadgan Irrigation Network Project is 9015 hectares at south of Khuzestan province and the Shadgan zone. The water intake of the mentioned project is done from the Jarhari River, and the important networks of this river are as follows. The river model includes a flow-calming basin to minimize the effects of pumping on the formed profiles. At the end of this channel, three sliding gates and a water intake were installed on the channel's left wall. In addition, the separating wall was at a distance of 2m from the side channel. The length of this separating wall was 2m. The required width for the main channel will be 2.2 meters, the height will be about 90 centimeters, and a 79-degree water catchment will be installed at a distance of about 5 meters from its beginning. The required dimensions will be determined based on a scale of 1 to 15 for geometrical dimensions and 1 to 5 to 8 for depth based on the physical conditions of the Hemet reservoir and the Jareh River. In this regard, five flow rates with three values of opening percentage of the end gate of the channel, without the operation of the separating wall, were considered a control test. Then, the tests mentioned in two conditions of submerged and non-submerged walls were also taken to compare the effect of these walls. After the measured flow depth upstream and downstream of the separating wall, in each experiment, the flow rate was taken through the end spillway of the lateral intake. The total flow rate entering the main channel and the end intake spillway reading were compared to calculate the end gate's opening value.
Results and discussionThe results of the tests showed that the flow depth at the beginning and end of the separating wall increases with the increase of the total flow rate in the case where the end gates are entirely closed. By comparing the flow depth at the beginning and end of the separating wall, it can be seen that the flow depth after the structure has decreased in all flows. Also, the separating wall does not affect the flow depth in the two states of standing and non-submerged compared to the control state. It was also observed with the velocity measurement that when the flow enters the path of the separating wall, the flow velocity decreases, and the lowest recorded velocity is in the middle of the wall. As the flow towards the end of the wall, the velocity flow will increase. In five discharges, 40, 50, 60, 70, and 85 L/s reduction in velocity was obtained by 60, 55.2, 45.9, 37.5 and 29.4% respectively. In addition, the results of the experiment showed that the operation of the separating wall in the submerged state has increased the flow rate in the lateral catchment. The non-submerged wall also had the opposite result in the same situation and reduced the flow rate in the side channel intake. As can be seen, with the increase in the flow rate, the effect of the walls on the rise in the flow rate of the side aerator has also decreased, and this can be caused by the increase in velocity in the main channel. In all cases, the effect of the submerged barrier is more noticeable than the non-submerged one in increasing the intake discharge. In general, the impact of the separating wall on the increase in flow rate has been practical only in low flow rates.
ConclusionsIn this research, the effect of the longitudinal training wall (LTW) wall on the hydraulics of the river flow before the lateral intake was investigated. The side wall was installed in two submerged (height 20 cm) and non-submerged (height 40 cm) in the middle of the main channel. Experiments were performed in 5 flow rates of 40, 50, 60, 70, and 85 L/s and in two gate opening states of 30 and 100%. The flow depth before and after the submerged and non-submerged wall was compared with the control condition. The results showed that the submerged wall had a more significant effect on the flow depth than the non-submerged wall. In many discharges, it caused a decrease in the flow depth downstream; three points at the beginning, middle, and end of the wall were investigated to investigate the effect of the submerged wall on the flow velocity. In the five discharges, 40, 50, 60, 70, and 85 L/s, the velocity reduction was equal to 60, 55.2, 45.9, 37.5, and 29.4%, respectively. The effect of the separating wall in both submerged and non-submerged states on the water discharge rate was investigated. The results showed that the non-submersible barrier has gradually reduced the intake discharge in all discharges.
Keywords: Flow Pattern, Flow Depth, Side Channel Intake, Separating Wall, Longitudinal Training Wall (LTW) -
در تحقیق حاضر تاثیر نصب صفحات مورب روی تغییرات الگوی جریان در بالادست روزنه با استفاده از مدل عددی Flow3D مورد بررسی قرار گرفت. متغیرهای مورد بررسی در این تحقیق عبارتند از عرض صفحات، زاویه نصب صفحات و فاصله نصب صفحات تا روزنه. در مجموع 5 سناریو (با در نظر گرفتن حالت شاهد (بدون نصب صفحات)) برای مدل عددی تعریف شد. کالیبراسیون مدل عددی با استفاده از نتایج آزمایشگاهی انجام و مدل تلاطم RNG به منظور انجام شبیه سازی انتخاب شد. نتایج حاصل نشان داد که نصب صفحات مورب در مقابل روزنه منجر به ایجاد گردابه ها و همچنین توسعه ناحیه کم فشار در بالادست شده که منجر به افزایش حجم رسوبات خروجی می شود. همچنین کاهش عرض صفحات، افزایش زاویه نصب و افزایش فاصله نصب صفحات منجر به کاهش شدت گردابه ها و کاهش محدوده ناحیه کم فشار خواهد شده که از تاثیر نصب صفحات مورب به منظور افزایش حجم رسوبات خروجی کاسته می شود.کلید واژگان: تخلیه کننده تحتانی، مخروط رسوبشویی، فلاشینگ، الگوی جریانThe low inflow rate of water into the dam reservoirs causes sedimentation, leading to a decrease in the service life of dam. As a result, the performance of the dam in controlling floods and generating energy through water release downstream will be affected. Additionally, sediment deposition near the bottom outlets and turbines causes their burial, leading to difficulties in their operation and utilization. Installing inclined plates in the upper of bottom outlets is suggested as a new method to increase the amount of flushed sediments in pressurized flushing. Awareness of changes in the upstream flow pattern of the orifice is of great importance. In the present study, the effect of installing inclined plates on flow pattern changes in the upstream of the orifice was investigated using the Flow3D model. In this study, a numerical model calibration was performed using the results of experiments conducted in the hydraulic laboratory of the Faculty of Water and Environmental Engineering at Shahid Chamran University of Ahvaz, and the RNG turbulence model was chosen for conducting the simulation. The considered variables include plate width, plate installation angle, and plate installation distance to the orifice. In total, 5 scenarios (including the reference test (i.e., without installing plates)) have been defined for the numerical model.The results showed that the installation of inclined plates against the orifice led to the creation of vortexes and the development of a low-pressure zone, resulting in an increase in the volume of flushed sediment. Also, reducing the width of plates, increasing the installation angle, and increasing the installation distance of the plates will lead to a decrease in the intensity of eddies and a decrease in the range of low-pressure zone, which reduces the effect of installing inclined plates to increase flushed sediment volume.Based on previous studies, the amount of sediment output in pressurized flushing is limited and confined to the vicinity of the dam body. Therefore, this method is not used to revive the dead storage capacity of the dam reservoirs. Ancillary facilities such as bottom outlets and hydro-power plant outlets are located near the dam structure, and sediment entry into these facilities can have destructive effects. Therefore, providing methods to increase sediment discharge from near the dam body can be highly beneficial. Additionally, by creating a low-pressure zone in the upstream of the outlet, a suction effect is created, which can be useful in increasing the volume of sediment discharged during turbidity current discharging from the bottom outlet.Keywords: Bottom Outlet, Flushing Cone, Flushing, Flow pattern
-
حوضچه های پیش ته نشینی از اجزاء مهم و اصلی در فرآیند تصفیه آب به منظور شرب به شیوه متعارف به شمار می روند. تیغه های هدایت کننده جریان می توانند برای مستهلک کردن جت ورودی و کاهش انرژی جنبشی آشفته نیز به کار روند. اولین گام برای بهینه سازی حوضچه های پیش ته نشینی ، محاسبه صحیح میدان سرعت و نیز موقعیت و وسعت نواحی چرخشی می باشد. در این پژوهش، شبیه سازی عددی جریان در حوضچه پیش ته نشینی با استفاده از SSIIM و FLUENT مورد بررسی قرار گرفته و معادلات پیوستگی و مومنتوم با استفاده از روش احجام محدود حل شده اند. شبیه-سازی جریان در حالت سه بعدی انجام شده و نتایج پروفیل های سرعت جریان در مقاطع مختلف حوضچه پیش ته نشینی با داده های آزمایشگاهی مقایسه شده است. این مقایسه، مطابقت خوب با دقت خطای میانگین حدود 6 درصد نتایج محاسباتی و مشاهداتی را نشان داد. سپس، معادله پخش و انتقال غلظت رسوب با معادلات حاکم بر هیدرولیک جریان حل شده و نتایج توزیع قایم پروفیل های غلظت رسوب در مقاطع مختلف حوضچه با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شد. این مقایسه نیز بیانگر انطباق مناسب با دقت خطای میانگین 11 درصد نتایج محاسباتی با داده های آزمایشگاهی بوده و توانایی بالای مدل عددی SSIIM در پیش بینی توزیع پروفیل های غلظت رسوب در حوضچه های پیش ته نشینی نشان داد. در انتهای این تحقیق، با قراردادن تیغه های هدایت کننده جریان، تاثیر این تیغه ها بر الگوی جریان و نرخ رسوبگذاری درون حوضچه های پیش ته-نشینی مورد بررسی قرار گرفت. در حالت بدون تیغه هدایت کننده در نزدیکی سطح آزاد جریان، غلظت رسوب کاهش شدیدی را نشان داد.
کلید واژگان: الگوی جریان، توزیع غلظت رسوب، تیغه هدایت کننده جریان، حوضچه های پیش ته نشینی، مدل عددیPre-sedimentation basins are considered as the major and important components in water treatment process through conventional method. Because of the high cost of constructing these basins, which is approximately 30% of the total costs of water treatment plants, modeling and optimum performance of pre-sedimentation basins are very important. In pre-sedimentation basins, because of the existence of velocity gradients, secondary and rotational flows occur. In order to increase the performance of a pre-sedimentation basin (clarifier), it is essential to have a uniform and calm flow field. The use of suitable baffle configurations may help forming favorable flow field and increase the efficiency of the pre-sedimentation basins. In order to find the proper position of a baffle in a rectangular sedimentation basin, computational investigations are performed. The first step to optimize pre-sedimentation basin is accurate calculation of the velocity field and the volume of rotation zones. Flow guiding blades can also be used to depreciate the inlet jet and reduce turbulent kinetic energy. Because of the flow complexity and also the effects of scale, physical models can not solely provide a clear understanding of the physics governing the flow field and it is necessary to study this phenomenon numerically along with field and experimental studies. The first step to optimize pre-sedimentation basins is accurate simulation of the velocity field and the volume of rotation zones. In the present study, numerical simulation of flow was investigated in a pre-sedimentation basin using SSIIM and Fluent models. Continuity and momentum equations were solved using finite volume method. Flow analysis was done steady by the SIMPLE algorithm for velocity and pressure coupling. Discrete method of continuity equations, momentum, turbulent kinetic energy, Reynolds stress drop and discretion of pressure equation are standard. The numerical results were calibrated with experimental results of Shahrokhi et al. (2011) and Imam et al. (1984). Flow simulation was performed in 3D and flow velocity profiles were compared with the experimental results in different sections of a pre-sedimentation basin. Then, in order to sedimentation investigation in the pre-sedimentation basin, advection and dispersion equation of sediment concentration was solved simultaneously with the governing equations of flow. The results of the vertical distribution of sediment concentration profiles in different sections of the basin were compared with the experimental and numerical results of other researchers. Finally, the effect of flow guiding blades on the flow pattern and the efficiency of sedimentation in the pre-sedimentation ponds were investigated. The comparison showed that there is a good agreement between numerical and experimental study with an average error of 6%. Flow rate is one of the effective parameters on creating a rotational zone inside the basins. With increasing the inlet flow rate from 0.002 to 0.01 cubic meters per second, the length of the rotational zone has increased 25% and the width of the rotating zone has increased 45%. The secondary and rotational currents formed at the entrance of the basin are two small rotational zones and approaching the middle of the basin and formation of flow separation zones, the number of rotating areas and their dimensions have increased. From the beginning to the middle of the basin, the shear stress is increased. In the sections x = 0.46 m and x = 0.82 m, the amount of shear stress is maximum. Amount of energy in the middle of the depth has decreased by 40% compared to the water level and about 60% compared to the floor of the sedimentation basin. It showed that there is a good agreement between the numerical and experimental results. It also indicated high ability of SSIIM in predicting distribution of sediment concentration profiles in pre-sedimentation basins. With increasing flow depth, the sediment concentration decreases. In the section x = 1.58 m, the sediment concentration near the free surface is 44 mg L-1, which decreased by 57.48% compared to the concentration of sediment in the basin bed. In the case without the guide blade, near the free surface of the stream, the sediment concentration was decreased. Also, in the middle of the basin, due to the turbulence of the flow and the rotational areas, the secondary current strength was maximal and decreased as it approached the end of the basin.
Keywords: Flow pattern, Flow guiding blades, numerical model, Pre-sedimentation basins, Sediment concentration distribution -
با پیشرفت علم، جوامع بشری برای عبور آب و سایر سیال ها از بستر دریاها، رودخانه ها، نهر ها و زهکش های طبیعی از لوله های انتقال استفاده می کنند. خطوط لوله اگر در مسیر خود از رودخانه ها و بستر دریا ها عبور کند، در طراحی آن ها باید دقت فراوانی به کار برده شود. هدف اصلی این پژوهش، بررسی اثر عمق کارگذاری سپر بر آبشستگی خطوط لوله در فواصل مختلف لوله از بستر می باشد. آزمایش های این تحقیق در فلومی به طول 10 متر و عرض 30 سانتی متر انجام شدند. همچنین، آزمایش های این تحقیق در شرایط آب زلال (95=/0u/uc) صورت پذیرفت. رسوبات یکنواخت با قطر متوسط یک میلی متر (mm=1d50) در نظر گرفته شد. در این پژوهش، یک لوله از جنس PVC با قطر خارجی 5/2 سانتی متر مورد استفاده قرار گرفت. فاصله لوله از بستر (G) بر اساس ضریبی از قطر لوله (0، 25/0، 5/0، 75/0، 1) در نظر گرفته شد. همچنین عمق کارگذاری سپر (Dw) با توجه به ضریبی از قطر لوله (0، 25/0، 5/0، 75/0، 1، 25/1، 5/1، 75/1 و 2) انتخاب گردید. نتایج آزمایشات نشان داد که در حالتی که سپر مورد استفاده قرار نگرفت، با افزایش فاصله لوله از بستر، حداکثر عمق آبشستگی زیر خط لوله کاهش می یابد. همچنین، زمانی که نحوه کارگذاری لوله و سپر طوری باشد که سپر دقیقا روی سطح بستر رسوبی قرار گیرد، حداکثر عمق آبشستگی زیر خط لوله مشاهده می شود.
کلید واژگان: آب زلال، آبشستگی، الگوی جریان، سپر، لولهWith the advancement of science, human societies use transmission pipes to transport water and other fluids from the bed of seas, rivers, streams and natural drains. If pipelines pass through rivers and seabeds on their way, great care must be taken in their design. The main purpose of this study is to investigate the effect of the insertion depth of the shield on the pipeline scour at different distances of the pipe from the bed. This study was carried out in a flume with the length of 10 m and the width of 30 cm. Experiments were conducted under clear water condition (u/uc=0.95). Uniform sediment with a median diameter of one millimeter (D50=1 mm) was considered. In this research, a PVC pipe with an external diameter of 2.5 cm was used. The distance of the pipe from the bed (G) was considered based on a coefficient of the pipe diameter (0, 0.25, 0.5, 0.75, 1). Also, the insertion depth of the shield (Dw) was selected according to a coefficient of the pipe diameter (0, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.25, 1.5, 1.75 and 2). The results of the experiments showed that in the case that the shield was not used, with the increase in the distance between the pipe and the bed, the maximum scour depth under the pipeline decreases.
Keywords: clear water, Flow Pattern, Pipeline, Scour, shield -
یکی از سازه هایی که به طور وسیعی به منظور ساماندهی رودخانه ها و کانال ها استفاده می شود، آبشکن نام دارد. از گدشته دور مزیت های این نوع سازه به طور وسیعی نشان داده شده است. از جمله مسایل مهم در طراحی موانع، پدیده آبشستگی موضعی در دماغه آن است که در اثر تغییر در الگوی جریان و وجود گردابه های قوی پدیدار می شود. در سال های اخیر، اکثر تحقیقات انجام شده بر روی موانع باز و بسته استوار بوده و اغلب به صورت آزمایشگاهی انجام شده است. بنابراین در این تحقیق، آبشستگی و الگوی جریان سه بعدی در اطراف مانع توری سنگی Tشکل با استفاده از مدل عددی Flow-3D و مدل آشفتگی (k-w) شبیه سازی شده و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردیده است. نتایج نشان داد که مدل (k-w) در پیش بینی حداکثر عمق آبشستگی و الگوی جریان در اطراف مانع توری سنگی T شکل، انطباق بهتری با نتایج آزمایشگاهی دارد. به طوری که محل وقوع آبشستگی و حداکثر عمق آبشستگی به دست آمده از شبیه سازی عددی به نتایج آزمایشگاهی نزدیک می باشد. همچنین افزایش نفوذپذیری جان تاثیر به سزایی در کاهش آشفتگی جریان، جریان های گردابه ای و سرعت عرضی دارد.کلید واژگان: آبشستگی، آبشکن T شکل، الگوی جریان، مانع توری سنگی، Flow-3DOne of the structures that is widely used for training the rivers and channels is groyne. From past time, application of the groyne indicates the wide advantages of these kind of structures. One of the important issues in the design of groynes is the local scour phenomenon in the nose due to changes in flow pattern and presence of strong vortices. In recent years, most research has been based on open and impermeable groynes, and most have been done in laboratory. Therefore, in this study, the scour and 3D flow pattern around the T-shaped gabion groyne were simulated using Flow-3D numerical model and turbulence model (k-ω) and compared with the experimental results. The results showed that the model (k-ω) has better agreement with the experimental results in predicting the maximum scour depth and flow pattern around the T-shaped gabion groyne. So that the location of scour and the maximum depth of scour obtained from numerical simulation are close to the experimental results. Increasing the body permeability also has a significant effect on reducing turbulence, eddy and transverse velocity.Keywords: Scouring, T-shaped groyne, Flow pattern, Gabion groyne, Flow-3D
-
احداث سازه هایی مانند آبشکن علی رغم کنترل فرسایش، می تواند به دلیل شکل گیری ساختار موضعی جریان مانند انبساط و انقباض ناگهانی در مقطع عبور جریان، شکل گیری جریان رو به پایین و برخورد آن به بستر کانال در بالادست آبشکن و شکل گیری لایه برشی و آشفتگی های ناشی از آن، باعث ایجاد فرسایش موضعی و تهدید برای سازه باشد. در این تحقیق با استفاده از مدل عددی دو بعدی SRH-2D الگوی جریان در اطراف دیواره آبشکن، با زوایای قرارگیری 45، 90 و 135 درجه در کانال شبیه سازی شد. نتایج نشان داد در آبشکن با زاویه 45 درجه، طول ناحیه برگشت جریان نسبت به زاویه قرارگیری 90 و 135 درجه، به ترتیب نزدیک به 2 و 8 برابر کمتر خواهد شد. درحالیکه در آبشکن با زاویه قرارگیری 90 درجه، طول ناحیه برگشت جریان در حدود 3/5 برابر کمتر از حالتی است که آبشکن با زاویه 135 درجه در کانال قرار گرفته باشد. همچنین تنش برشی در نواحی نزدیک به کف در حالت آبشکن با زاویه 45 درجه کمترین مقدار و آبشکن با زاویه 135 درجه بیشترین مقدار را دارا می باشد.کلید واژگان: الگوی جریان، آبشکن، مدل عددی دو بعدی، SRH-2DThe construction of structures such as gutters, despite erosion control, can be due to the formation of a localized flow structure such as sudden expansion and contraction at the flow passage, the formation of downstream flow, and its impact on the channel bed upstream of the gutter and The shear layer and the resulting turbulence can cause local erosion and threat to the structure. In this research, using the two-dimensional numerical model SRH-2D, the flow pattern around the spur dike wall was simulated with angles of 45, 90, and 135 degrees in the channel. The results showed that with an angle of 45 degrees, the length of the return zone of the stream will be about 2 and 8 times shorter than the 90 and 135° angle, respectively. However, in a spur dike with a 90 degree angle, the length of the return zone is about 3.5 times shorter than when the breaker is located at an angle of 135 degrees in the channel. Also, shear stress in the areas close to the floor in the spur dike with an angle of 45 degrees is the lowest value and the breaker with an angle of 135 degrees has the highest value.Keywords: Flow Pattern, spur dike, 2D numerical model, SRH-2D
-
احداث پلها و سازههای هیدرولیکی در مسیر جریان رودخانهها، رخداد آبشستگی در اطراف پایههای پل را در پی دارد. بدین منظور طراحی و اجرای اقدامات کاهش آبشستگی از موارد ضروری در مطالعات این حوزه میباشد. در این پژوهش از گروه زوج صفحات مستغرق برای کاهش آبشستگی پایه پل استفاده شدهاست. مدلهای عددی در نرمافزار FLOW-3D شبیهسازی شده و حساسیتسنجی ابعاد مش، مدلهای آشفتگی و زمان تعادل آبشستگی در مدل عددی بررسی شدهاند. برای صحتسنجی مدل عددی، نتایج تحلیل عددی با دادههای آزمایشگاهی مقایسه و مقادیر خطاهای نسبی تعیین گردیدند. بیشینه خطای 10 درصدی نشان از عملکرد مناسب مدل عددی در تخمین مقادیر بیشینه آبشستگی دارد. بهمنظور طراحی مناسب گروه زوج صفحات مستغرق؛ اثر زاویه استقرار، موقعیت و ارتفاع صفحات بر مقادیر بیشینه آبشستگی و الگوی جریان پیرامون پایه پل بررسی گردیدند. نتایج نشان داده است که موقعیت قرارگیری صفحات در حالت 0D,1D,2D با زاویه استقرار (θ) 30 درجه مناسبترین حالت بوده که تاحدود %32 مقادیر بیشینه آبشستگی (dsmax) را کاهش میدهد. همچنین افزایش ارتفاع صفحات بیش از ارتفاع بستر رسوبی، موجب کاهش روند کاهشی مقادیر بیشینه آبشستگی میشود.
کلید واژگان: الگوی جریان، زاویه استقرار صفحات مستغرق، کاهش آب شستگی، مدل آشفتگی، FLOW-3DIntroductionThe construction of hydraulic structures such as bridge piers in river beds changes the hydrodynamics of the flow and is associated with the scouring phenomenon. This process has been investigated by many researchers with numerical and laboratory methods. The implementation of scouring reduction measures has also been considered in addition to investigating this phenomenon, due to the destructive changes of scouring on the morphology and the river bed shape. In general, these measures are divided into two general categories, direct and indirect, which the use of submerged vanes is one of these reduction measures. Based on less attention to this scour reduction measure; in this study, the effect of a group of two submerged vanes on reducing scour around the cylindrical bridge pier with a numerical approach of the FLOW-3D model is investigated. Dimensional analysis showed that the position angle of the vanes, the location, and the height of the vanes are effective parameters. According to the results, the installation of submerged vanes in all cases reduces scour and the position angle of 30 degrees, in location 0D,1D,2D, and the height of the vanes equal to the sedimentary bed leads to the greatest reduction of scour.
MethodologyIn this research, the flow-3d numerical model has been utilized to analyze the scouring phenomenon around the cylindrical bridge pier. In order to validate the numerical model, first, the sensitivity of the mesh dimensions was performed and the 8.5 mm mesh size was selected. Then the analysis of the geometric model for the bridge pier was conducted with different turbulence models k-ε, k-ε RNG, and LES, and the numerical results were compared with experimental data. It was found that the numerical results of the LES model are the most consistent with the experimental data, so this turbulence model has been used for the conditions of bridge pier with submerged vanes. Different times for scour hole development were investigated to determine the processing time of the numerical model and the computational cost, and finally, it was observed that the scour equilibrium time of 500 seconds is suitable for numerical analysis, and after this time the maximum scour values remain almost constant.
Results and DiscussionBy increasing the position angle of the two submerged vanes up to 30 degrees, the amount of scour depth decreases. But by increasing it by 30 degrees, this trend decreases and does not follow a specific trend. The most suitable position of the group of two submerged vanes is in 0D,1D,2D location, and the location of 2D,3D,4D has the least effect, which reduces the distance between the vanes from the upstream of the channel to the bridge pier, the separation point of boundary layer moves to the bridge pier, thus reducing the thickness of the boundary layer. Therefore, by reducing the distance between the vanes and the bridge pier, the intensity of shear stress to dig bed sediments around the bridge pier is reduced and as a result, the effect of submerged vanes and their protection from erodible bed against scouring phenomenon increases. It was found that the presence of submerged vanes in all cases reduces the maximum scour depth, but this amount of reduction is not the same due to the different positions of the vanes. Observing the flow pattern, it can be concluded that the velocity upstream of the pier is negative and rotational flows are formed in this region, which are the horseshoe vortices that are one of the reasons for the formation of scouring holes.
ConclusionsIn all cases of installation of submerged vanes before bridge pier, scour depth was reduced because the presence of vanes caused local scouring around the vane itself and the washed sediment particles were transported by the flow to the scour hole created upstream around the bridge pier. On the other hand, in all locations, by increasing the position angle of the two submerged vanes, the transverse area is more affected by the two vanes, and a stronger drag force is applied to them. In other words, the resistance to current increases, the flow moves away from the bridge pier, and also fewer bed particles are transported around the bridge pier. As the height of the vanes increases, the intensity of the flow colliding with the vanes increases, and as a result, the amount of scouring depth upstream of the vanes increases, and despite the reduction of scouring upstream of the bridge pier, the performance of these vanes decreases.
Keywords: Flow pattern, Position angle of submerged vanes, Scour reduction, Turbulence model, FLOW-3D -
خلیج های میانی یا حفره های جانبی بعنوان یکی از عوارض طبیعی یا مصنوعی ایجاد شده، به نوبه خود بر شرایط هیدرولیکی جریان اثر می گذارند. این عوارض با ایجاد ساختار های ثانویه و لایه های برشی، فرآیندهای مهم هیدرودینامیکی که در اغلب مسایل مهندسی هیدرولیک نقش مهمی در شکل گیری رفتار عمومی جریان دارند را کاملا تحت تاثیر قرار می دهند. در تحقیق حاضر به بررسی الگوی جریان در محدوده خلیج میانی پرداخته شده است. آزمایش ها برای خلیجی به ابعاد 3/0×3/0 متر و در مجاورت کانالی به عرض 5/0 متر و با اندازه گیری سرعت ها در شبکه تعریف شده با استفاده از سرعت سنج سه بعدی Vectrino انجام گرفت. نتایج مشاهداتی وجود یک سیکل گردشی بزرگ مقیاس در محدوده داخلی خلیج را تایید نمود. در ادامه بررسی داده ها نشان داد میزان سرعت در راستای مختلف از جریان کانال اصلی متاثر بوده و با افزایش جریان کانال اصلی، سرعت در خلیج نیز افزایش می یابد. همچنین بررسی نتایج نشان داد در دبی ثابت عبوری از کانال اصلی، با افزایش عمق جریان، سرعت در نیمه خارجی خلیج همانند کانال اصلی کاهش می یابد ولی در نیمه داخلی، سرعت جریان با افزایش عمق، افزایش می یابد که این امر نشان دهنده نفوذ بیشتر جریان به داخل خلیج می باشد.
کلید واژگان: الگوی جریان، خلیج مصنوعی، سرعت سنج سه بعدی، مدل آزمایشگاهیEmbayment or Side-cavities are built as a natural or artificial complication, which generally has shallow flow conditions, as affecting the hydraulic conditions of the flow. These complications affect important hydrodynamic processes that play an important role in the general behavior of the flow by creating secondary structures and shear layers. Therefore, the experiments were performed in an Embayment with a size of 0.3 * 0.3 m, adjacent to a canal 0.5 m wide. Speed measurements in the defined network were performed using the Vectrino 3D Velocimeter. Observational results confirmed the existence of a large-scale gyre in the interior of the embayment. Further analysis of the data showed that the velocity in different directions is affected by flow of the main canal and with increasing current in the main canal flow, the velocity in the embayment also increases. Also, the results showed that at a constant flow through the main channel, with increasing flow depth, the speed in the outer half of the embayment decreases as the main channel but in the inner half, the speed increases with increasing depth. This indicates as increasing depth, a greater advancing of the stream into the embayment would be observed.
Keywords: Artificial Embayment, Flow Pattern, 3D Velocimeter, Experimental Model -
از جمله پدیده های پیچیده در مهندسی هیدرولیک رسوب، آبشستگی در اطراف پایه های پل ها است. با توجه به الگوی سه بعدی و پیچیده جریان در اطراف پایه ها، اندازه گیری برخی از پارامترهای هیدرولیکی در حین انجام آزمایش ها از قبیل الگوی جریان، تغییرات پروفیل بستر و تنش برشی مشکل است، در این شرایط می توان از مدل های عددی جهت استخراج نتایج و مطالعات دقیق تر بهره برد. هدف از این تحقیق، مدلسازی عددی الگوی جریان، تغییرات پروفیل بستر و عمق آبشستگی در اطراف پایه مستطیلی با نرم افزار Flow 3D و کاربرد نتایج آن در حمایت پایه در برابر آبشستگی می باشد. نتایج نشان داد، برای پایه همراستا با جریان، شکل حفره و الگوی جریان در اطراف پایه متقارن بود. با زاویه دار شدن پایه در قسمت جلو آن مقدار تنش برشی افزایش یافت به طوریکه برای پایه 10 درجه بیشترین مقدار آن و در حدود 0.55نیوتون بر مترمربع بدست آمد. همچنین نوسانات پروفیل بستر و سطح آب نیز با افزایش زاویه پایه، بیشتر شد. کاربرد صفحات مستغرق، الگوی آبشستگی را تغییر داده و با جابجایی رسوبات به جلوی پایه، کاهش آبشستگی را به دنبال داشت. افزایش ارتفاع و زاویه صفحات مستغرق نقش حمایتی آن ها را بهبود داد. براساس نتایج مدل عددی، عمق آبشستگی در جلوی پایه همراستا با جریان و صفحات با زاویه 30 درجه، هم تراز با بستر، با ارتفاع 1.25سانتیمتر و با ارتفاع 2.5 سانتیمتر روی بستر، بعد از 30 دقیقه به ترتیب 3.1، 0.035 و 0.005+ (روی بستر) سانتیمتر بود. با زاویه دار شدن پایه عملکرد صفحات در کنترل آبشستگی در قسمت جلوی پایه و در سمت دیوار پرفشار پایه کاهش یافت، اما در سمت دیواره ی کم فشار، عمق آبشستگی نسبت به پایه ی بدون زاویه کمتر بود.
کلید واژگان: الگوی جریان، پروفیل بستر، تنش برشی، Flow 3D، صفحات مستغرقOne of the complicated phenomena in sediment hydraulic engineering is scouring around bridge pier. Regard to three-dimensional and complicated flow pattern around piers, measuring some hydraulics parameters during the tests such as flow pattern, variation of bed profile and shear stress are difficult, in this situation application of numerical models in order to extract results and more detailed study is useful. Aim of this research is numerical modeling of flow pattern, variation of bed profile and scour depth and shear stress around rectangular pier using Flow 3D and applying the results to protect piers against scouring. Results showed, for aligned pier with flow, shape of scour hole and flow pattern were symmetrical, the side in contact with flow is high-pressure and the other side is low-pressure. As increase of pier angle, shear stress in front of the pier increased so that for pier with 10° angle with flow direction, shear stress was 0.55 N/m2. Also fluctuations of bed profile and water surface increased. Application of submerged vanes, changed scour pattern and moved sediment in front of pier which scouring was reduced. Increase of height and angle of submerged vanes improved their protective role. Base on the results of numerical model, after 30 minutes, scour depth in front of pier in aligned pier with flow and angle of submerged vanes 30°, in same level with bed, 1.25 cm and 2.5 cm on the bed, was 3.1 cm, 0.035 cm and +0.005 cm (on the bed), respectively. As increase of pier angle, performance of submerged vanes to control scouring in front of pier and in side of high-pressure wall decreased, but in side of low-pressure wall scouring compared with alone pier was less.
Keywords: Flow Pattern, Bed profile, Shear Stress, Flow 3D, Submerged vanes -
مطالعه و شناخت دینامیک جریان در محل و پایین دست تلاقی، از موارد ضروری در طراحی هندسه پایدار کانال های منشوری و ارایه راهکار مناسب حفاظتی برای سیستم های رودخانه ای به حساب می آید. به استناد داده های میدانی، وجود زوایای مختلف تلاقی و اختلاف رقوم کف کانال اصلی و شاخه فرعی از رایج ترین مشخصات فیزیکی اغلب تلاقی های طبیعی می باشد. تحقیق حاضر با هدف بررسی عددی تاثیر شکل مقطع کانال اصلی (مستطیلی و ذوزنقه ای) و زاویه تلاقی دو کانال (45 و 90 درجه) بر دینامیک جریان در محل تلاقی های همکف و غیر همکف انجام گرفت. نتایج نشان داد که در تلاقی همکف با زاویه 90 درجه، ناحیه جدایی جریان در نزدیکی بستر در هر دو شکل مقطع تشکیل می شود با این تفاوت که در مقطع ذوزنقه ای ابعاد آن در سطح آب بیشتر از مقطع مستطیلی می باشد. در تلاقی همکف با زاویه 45 درجه، این ناحیه در هیچکدام از مقاطع ظاهر نشد؛ اما برای تلاقی غیر همکف، ناحیه جداشدگی فقط در سطح آب و برای مقطع ذوزنقه ای شکل گرفت. علاوه بر آن ناحیه جداشدگی جریان در تلاقی غیر همکف و تلاقی 90 درجه در نزدیک بستر شکل نگرفت اما در سطح آب، ابعاد آن در مقطع ذوزنقه ای بیشتر از مستطیلی بود. بعلاوه، برگشت آب در بالادست تلاقی کانال اصلی، در مقطع ذوزنقه ای و در زاویه اتصال 45 درجه کاهش یافت.کلید واژگان: تلاقی کانال های روباز، Flow 3D، الگوی جریان، ناحیه جدایش جریانStudying and recognizing the flow dynamics at the junction and downstream of the junction is essential in designing the stable geometry of prismatic canals and providing a suitable protection solution for river systems. According to field data, the existence of different junction angles and bed discordance between the main and tributary canals is one of the most common physical characteristics of the most natural junction. The present research aims to numerically investigate the effect of main canal cross-section shapes (rectangular and trapezoidal) and junction angles (45° and 90°) on flow dynamics at river junctions of the concordance and discordance bed level. The results showed at the concordance bed level and junction with a angle, in both cross-section shapes, the flow separation zone is formed near the bed, with the difference that in a trapezoidal section, its dimension was bigger than the rectangular section. At the angle of the concordance bed level, this zone did not appear in any sections; but for unequal bed level junction, the separation zone was formed only on the water surface and for the trapezoidal section. In addition, the flow separation zone was not formed at the discordance junction near the bed, but at the water surface its dimension in trapezoidal shape was more than the rectangular. Besides, the backwater at the upstream of the junction in main canal decreased in trapezoidal shape and in junction angle.Keywords: Open canals junction, Flow 3D, Flow pattern, Flow separation zone
-
یکی از جنبه های مهم در توصیف رفتار رودخانه، مارپیچی بودن آن میباشد. تولید خمهای متوالی در رودخانه های طبیعی یک مولفه اجتنابناپذیر از فرایندی است که رودخانه طی آن دچار دگرگونی میشود. آگاهی از هیدرولیک جریان در اندرکنش کانال اصلی و سیلاب دشت به خصوص در زمان سیلاب برای حفاظت خاک بستر و نیز سازه ها و تاسیسات موجود لازم و ضروری است. این تحقیق، برای شناخت بهتر هیدرودینامیک جریان متوسط و آشفته در کانال های مرکب مارپیچ انجام شد. با توجه به شرایط طبیعی اکثر رودخانه ها، به دلیل متغیر بودن دبی و نسبت های عمقی متفاوت (عمق جریان در سیلاب دشت به عمق جریان در کانال اصلی)، در این پژوهش فلوم آزمایشگاهی مستطیلی پیچانرودی با سینوسیتی ثابت 3/1 برای نسبت های عمقی متفاوت 35/0 و 55/0 بررسی شد. نتایج نشان داد که اندازه اجزاء مختلف سرعت در هر سه راستای مختصات در عمق نسبی 35/0 بیش تر از 55/0 است که نشان از قدرت بیشتر گرداب ها و شدت اندرکنش بین کانال اصلی و سیلاب دشت در عمق نسبی کم تر را داشت. همچنین با بررسی جریان های ثانویه، وجود گرداب های چرخشی ساعتگرد و پادساعتگرد در کانال اصلی و سیلابدشت ها و موقیعت ایجاد این جریانات تعیین شد.کلید واژگان: آبراهه مئاندری، ضریب پیچانی، عمق نسبی، الگوی جریان، سیلابOne of the important aspects in describing river behavior is its curvature. The production of successive bends in natural rivers is an inevitable component of the process through which the river changes. Understanding the flow behavior in the interaction between the main channel and the floodplain, especially during floods, is necessary to protect soil and water structures. This study was conducted to better understand the hydrodynamics of the middle and turbulent flow in compound meandering channels. According to the natural conditions of most rivers, due to variation of discharge and depth ratios (flow depth in floodplain to flow depth in the main channel), in this study, a rectangular meander laboratory channel with a constant sinuosity 1.3 for different depth ratios of 0.35 and 0.55 was investigated. The results showed that the size of velocity components (u,v,w) at 0.35 relative depth was greater than 0.55, which indicating higher vortex strength and interaction intensity between the main channel and floodplain at lower relative depth. Also, by investigating the secondary flows, the existence of clockwise and counterclockwise rotational eddy currents in the main channel and floodplains and the location of these currents were determined.Keywords: Curve Coefficient, Flood, Flow pattern, Meander Waterway, Relative Depth
-
سرریزهای جانبی بر روی دیواره جانبی کانال های اصلی تعبیه می شوند. با رسیدن جریان به سرریز جانبی، جریان اضافی از روی تاج سرریز جانبی ریزش کرده و به سمت کانال جانبی هدایت می شود. جریان درون کانال های دارای سرریز جانبی جزء جریان های متغیر مکانی محسوب می شود. در این مطالعه، جریان سه بعدی درون کانال های مستطیلی دارای سرریز جانبی با استفاده از نرم افزار FLOW-3D شبیه سازی شد. برای شبیه سازی آشفتگی جریان از مدل های آشفتگی k-ε استاندارد و RNG k-ε استفاده شد. بر اساس نتایج مدل سازی عددی، دقت مدل آشفتگی k-ε RNG بیشتر از مدل آشفتگی k-ε استاندارد بود. همچنین برای تخمین تغییرات سطح آزاد جریان از روش حجم سیال استفاده شد. در این مطالعه، سرعت با دقت قابل قبولی پیش بینی شد. به عبارت دیگر، مقادیر میانگین قدر مطلق خطای نسبی (MARE)برای مولفه های طولی، ضخامت و قایم به ترتیب برابر 480/0، 468/0 و 519/3 درصد محاسبه شد. سپس تاثیر عرض سرریزهای جانبی لبه تیز و لبه پهن بر روی مشخصات میدان جریان درون کانال اصلی در امتداد سرریز جانبی برای سه مدل مختلف با ضخامتهای 01/0، 05/0 و 15/0 متر مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس نتایج حل عددی، با افزایش مقدار ضخامت تاج سرریز جانبی، مقدار تنش برشی در مجاورت تاج سرریز جانبی به شکل قابل ملاحظه ای افزایش یافت.
کلید واژگان: الگوی جریان، سرریز جانبی لبه تیز و لبه پهن، شبیه سازی عددی، کانال مستطیلیSide weirs are installed on the side wall of main channels. By reaching the flow to the side weir, the exceeded flow falls from the side weir crest and is directs to the side channel. The flow within the channels with side weirs is considered as spatially varied flow. In this study, the three-dimensional flow in a rectangular channel with side weir was simulated by the FLOW-3D software. For simulating the turbulence of the flow, the standard and RNG turbulence models were used. According to the modeling results, the accuracy of the RNG turbulence model was higher than that of the standard model. Furthermore, the Volume of Fluid (VOF) model was used for estimating the variations of the flow free surface. In the study, the velocity was predicted with an acceptable accuracy. Also, the MARE values for the longitudinal, transverse and vertical components were estimated 0.480, 0.468 and 3.519 percent, respectively. Then, the effects of sharp and broad crested weirs on the characteristics of the flow field in the main channel along the side weir for three different models with width of 0.01, 0.05 and 0.15 m were investigated. According to the numerical modeling results, by increasing the width of the side weir crest the shear stress value in the vicinity of the side weir crest increase significantly.
Keywords: Flow pattern, Numerical simulation, Rectangular Channel, Sharp-crested, broad-crested side weir -
در سال های اخیر، به دلیل مدیریت ضعیف منابع آب، افزایش زمینهای کشاورزی و احداث بیش از حد سد بر روی رودخانه های تغذیه کننده دریاچه، دریاچه ارومیه با بحران زیست محیطی مواجه شده است. در این تحقیق مدل سه بعدی (Mike 3 flow model FM) برای بررسی تاثیر جهت باد و احداث میانگذر بر روی چرخش جریان و توزیع شوری در لایه های مختلف، بکار برده شد. به منظور واسنجی و صحت سنجی مدل از داده های شوری اندازه گیری شده در دو عمق متفاوت (نزدیک سطح آب و بستر) و در موقعیت های مختلف دریاچه استفاده گردید. نتایج تحقیق حاضر نشان داد که سرعت و جهت باد از پارامترهای مهمی است که نقش اساسی را در الگوهای چرخشی جریان به ویژه در لایه سطحی آب و توزیع شوری دریاچه در هر دو حالت با و بدون میانگذر دارد. علاوه بر آن، نتایج سه بعدی شبیه سازی نشان داد که به دلیل جهت باد و وجود میانگذر، جهت جریان و توزیع شوری در لایه های سطحی و نزدیک بستر متفاوت می باشد.
کلید واژگان: الگوی جریان، تراز آب، جریان های لایه ای، دریاچه ارومیه، _ MIKE3In recent years, Lake Urmia has encountered with environmental crisis, due to poor management of water resources, increasing the agricultural land and over the construction of dams on feeding rivers. In this research, a 3D model (Mike 3 flow model FM) was applied to investigate the effects of changes in wind direction and construction of causeway on flow circulation and salinity distribution in Lake Urmia. The salinity data measured in two depths (near the water surface and close to the bed), and different locations were used to evaluate the calibration and verification of the model. The results of the present study showed that the wind speed and its direction are one of the important parameters that play a major role in flow circulation patterns, especially in the surface layer of the water, and salinity distribution in both cases with and without causeway. Moreover, three-dimensional simulation results revealed that the flow path and salinity distribution were different in surface and bottom layers, due to the wind direction and construction of the causeway.
Keywords: Flow Pattern, Water level, Stratified flows, Lake Urmia, MIKE 3 -
کاهش آبشستگی برای جلوگیری از تخریب سازه های هیدرولیکی که در مسیر جریان های آبی قرار می گیرند، امری اجتناب ناپذیر است. در این تحقیق به بررسی اثربخشی طوق نیم دایره ای بر کاهش عمق آبشستگی در اطراف تکیه گاه با هدف مشخص شدن تغییرات الگوی جریان در اطراف این سازه پرداخته شد. آزمایش ها در شرایط آبشستگی آب زلال و طوق ها به شکل نیم دایره ای بر روی تکیه گاه های نیم دایره ای در دو اندازه L5/1و L2 (L طول تکیه گاه در برابر جریان) و در سه تراز مختلف نسبت به بستر، هم تراز بستر و L2/0 زیر و بالای بستر مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج نشان داد که وجود طوق علاوه بر کاهش میزان عمق نهایی آبشستگی موجب تاخیر در روند آبشستگی نیز شده است، که این اثر بخشی با افزایش اندازه طوق بیشتر مشاهده می گردد. به علاوه تراز قرارگیری طوق های با اندازه برابر می تواند موجب عملکرد بهتر طوق و در نتیجه کارآمدی آن در هزینه تمام شده طرح باشد. با توجه به نتایج آزمایش ها طوق با اندازه L2 و قرارگیری در زیر بستر عملکرد بهتری از خود نشان داد و موجب کاهش 58 درصدی عمق نهایی آبشستگی نسبت به تکیه گاه شاهد شد. همچنین با بررسی مشخصات جریان در اطراف تکیه گاه در شرایط با و بدون طوق مشخص گردید که طوق باعث کاهش مقادیر سرعت در جهات مختلف بخصوص در بالادست تکیه گاه می شود و تاثیر آن بر روی جریان روبه پایین، موجب کاهش قدرت گرداب ها و تغییر رفتار رفت و برگشتی و جابجایی موقعیت گرداب ها می گردد. به طوری که وجود طوق مقدار ماکزیمم سرعت جریان روبه پایین را در بالادست تکیه گاه به میزان 39 درصد کاهش داده است.
کلید واژگان: آب زلال، آبشستگی، الگوی جریان، تکیه گاه، طوقReducing scouring is inevitable to prevent the destruction of hydraulic structures on the water flows. In this research, the effect of semicircular collar on the reduction of scour depth around the abutment was investigated with the aim of identifying the flow pattern changes around this structure. Experiments were carried out under clear water conditions. Semicircular collars were examined on semicircular abutments in two sizes 1.5L and 2L (L is abutment length against the flow) and at three different levels relative to the bed; bed alignment, 0.2L below and 0.2 above the bed. The results showed that the existence of the collar, in addition to reducing the final scour depth, caused a delay in the scouring process. This effect has also been increased by increasing the size of the collar. In addition, the position of collars with the same size can improve collar performance and efficiency on the design cost. Based on the results of the experiments, the collar with 2L size and under the bed showed better performance and reduced the final scour depth by 58% compared to the control abutment. Also, according to the experiments, the position of the collar under the bed showed better performance. By investigating the flow pattern around the abutment in conditions with and without collar, it was found that the collar reduces the flow velocity in different directions, especially in the upstream of the abutment. Also, its effect on downflow reduces the strength of the vortices and changes the reciprocating behavior and displacement of the vortices. So that the presence of collar has reduced the maximum downflow velocity at the upstream abutment by 39%.
Keywords: Clearwater, Scouring, Flow pattern, Abutment, Collar -
معمولا آبگیرهای جانبی برای انتقال و انحراف جریان از کانال های اصلی و رودخانه ها مورد استفاده قرار می گیرند. در مطالعه حاضر، با استفاده از نرم افزار FLOW-3D میدان جریان شبیه سازی گردید. همچنین برای مدلسازی تغییرات سطح آزاد جریان از روش جزء حجم سیال (VOF) استفاده گردید. آشفتگی میدان جریان نیز با استفاده از مدلهای آشفتگی k-ε استاندارد و RNG k-ε تخمین زده شد. بر اساس نتایج مدل سازی، مدل آشفتگی k-ε استاندارد پارامترهای هیدرولیکی جریان را با دقت بیشتری تخمین زد. به عنوان مثال، مقدار MAE برای مدل های آشفتگی k-ε استاندارد و RNG k-ε جهت شبیه سازی پروفیل سطح آزاد آب به ترتیب مساوی 0/166 و 0/201 محاسبه گردید. نتایج مدل سازی نشان داد که مدل عددی میدان جریان را با دقت قابل قبولی شبیه سازی کرد. به عنوان مثال مقادیر RMSE، MAE و R برای شبیه سازی تغییرات سطح آب داخل کانال فرعی به ترتیب مساوی 0/164، 0/158 متر و 0/997 می باشد. سپس اثرات چهار زاویه آبگیری مختلف برابر 30، 45، 75 و 90 درجه بر روی الگوی میدان جریان مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس نتایج مدل سازی، بالاترین مقدار سرعت متوسط عمقی برای مدل با زاویه آبگیری 45 درجه بدست آمد. در بین مدل های با زاویه آبگیری 30، 45 و 75 درجه، حداکثر مقدار تنش برشی برای مدل با زاویه آبگیری 45 درجه پیش بینی گردید.
کلید واژگان: آبگیر جانبی، الگوی جریان، زاویه آبگیری، شبیه سازی عددی، کانال مستطیلیGenerally, intakes are used for conveying and diverting the flow within main channels and rivers. In this study, a flow field was simulated using FLOW-3D software. In addition, the flow free-surface variations were predicted using the Volume of Fluid (VOF) scheme. The flow turbulence was estimated by standard k-ε and RNG k-ε turbulence models. For instance, the MAE values for standard k-ε and RNG k-ε models to simulate the free surface profile were computed 0.166 and 0.201, respectively. The modeling results showed that the numerical model simulated the flow field with an acceptable accuracy. For example, the RMSE, MAE and R values for the simulated flow free-surface variations were calculated 0.164, 0.158 and 0.997 percent, respectively. Then, the effects of four flow division angles (30, 45, 75 and 90 degrees) on flow field pattern were considered. Regarding the modeling results, the highest depth-averaged velocity was obtained for the model with 45-degree. Among the models with division angles of 30, 45 and 75 degrees, the maximum shear stress was predicted for the model with 45-degree.
Keywords: Division angle, Flow pattern, Intake, Numerical simulation, Rectangle channel -
فرسایش بستر و کناره های رودخانه یکی از عواملی است که باعث تغییرات مورفولوژی رودخانه ها می شود. عمق آبشستگی معرف میزان پتانسیل تخریب جریان در اطراف سازه های هیدرولیکی واقع در مسیر جریان است. بنابراین تعیین عمق آبشستگی و سرعت جریان، امری ضروری می باشد. در این مطالعه، نتایج آزمایشگاهی تغییرات توپوگرافی بستر و الگوی جریان در اطراف موانع نفوذناپذیر و موانع نفوذپذیر با یکدیگر مقایسه شده است. برای موانع نفوذپذیر از دو نوع موانع توری سنگی و موانع میله ای یک و دو ردیفه با زاویه 90 درجه نسبت به امتداد جریان استفاده شده است. در استفاده از موانع میله ای دوردیفه، دو حالت قرارگیری میله ها به صورت در امتداد هم و زیگزاگی مورد نظر قرار گرفته است. آزمایش ها در یک کانال مستطیلی با بستر متحرک به عرض 60 سانتی متر و دبی 28 لیتر بر ثانیه و عدد فرود 26/0 انجام پذیرفت. نتایج نشان داد روند تغییر حداکثر عمق آبشستگی با افزایش نفوذپذیری، کاهشی است. در موانع توری سنگی نسبت به موانع میله ای با نفوذپذیری یکسان، آبشستگی به مراتب بیشتر است. همچنین اثر افزایش فاصله ردیف های موانع دو ردیفه بر مقدر حداکثر عمق آبشستگی برای حالت زیگزاگی، افزایشی و برای حالت در امتداد هم، کاهشی می باشد.کلید واژگان: آبشکن باز، توری سنگی، یک ردیفه و دو ردیفه، الگوی جریان، آبشستگیThe erosion of riverbeds is one of the factors that causes changes in the morphology of rivers. Scour depth represents the amount of potential degradation of the flow around hydraulic structures located in the flow path. Therefore, it is necessary to determine the scour depth and flow rate. In this study, the experimental results of bed topography changes and flow patterns around impermeable and impermeable groines are compared. For permeable groines, two types of gabion groines and one and two-row groines with a 90 degree angle to the flow were used. In the use of two-row groine, the two positions are considered parallel and zigzag. Experiments were performed in a rectangular channel with a moving bed of 60 cm width and a flow rate of 28 lit/s and Froude number of 0.26. The results showed that the trend of maximum scour depth change with increasing permeability decreased. The scour depth in gabion groines is much higher than rod groines with the same permeability. Also, the effect of increasing the row spacing of two-row groines on the prediction of the maximum scour depth for the zigzag type is additive and for the parallel type it is decreasing.Keywords: permeable groin, gabion, one, two row, Flow pattern, Scouring
-
در این تحقیق، با استفاده از مدل عددی فلوئنت به شبیه سازی میدان جریان حول تک صفحه مستغرق در کانال مستقیم، کانال قوسی بدون آبگیر و کانال قوسی با آبگیر پرداخته شده است. نتایج نشان می دهد در حالت قرارگیری صفحه در مسیر مستقیم با زاویه °20، دو سلول چرخشی هم جهت در دو طرف صفحه قابل مشاهده است. در حالت قرارگیری صفحه با زاویه برخورد °40، علاوه بر دو سلول چرخشی ذکر شده یک گردابه نعل اسبی با جهت مخالف 2 سلول چرخشی قبلی در لبه پایینی سمت کم فشار صفحه ایجاد می شود که ابعاد آن در مقابل دو سلول قبلی کوچکتر است. با قرارگیری صفحه در قوس در حالتی که صفحه با جهت غالب جریان زاویه 20 و 40 درجه بسازد، جریان ثانویه باعث افزایش ابعاد دو سلول دو طرف صفحه شده که بیانگر افزایش کارایی صفحه در قوس است. در حالت وجود آبگیر جانبی در مسیر قوسی مکش ایجاد شده توسط آبگیر جانبی، باعث کاهش ابعاد گردابه های دو طرف صفحه می شود.کلید واژگان: آبگیر جانبی، الگوی جریان، تک صفحه مستغرق، فلوئنت، کانال قوسیIn this paper, the physics of passed flow on submerged vane that placed at the bottom of different kinds of channels is studied. Also it presente the effects of: changing angle’s vane, the distance of vane from wall and the situation of vane in front of the lateral intake on the physics passed flow on submerged vane. In this order we use the fluent software to simulation flow pattern around the submerged vane at the bottom of straight channel, U shape channel and U shape channel whit lateral intake. The results show that when the vane placed at the bottom of the straight channel with angle of 20 degree 2 vortex by same direction at both side of the vane is created. By changing the vans angle from 20 to 40 degree, one smaller vortex with opposite direction near the bottom and close the trialing edge is created. This vortex is horseshoe vortex. By using vane in U shape channel, the vortex’s direction which is created by the vane,become greater than past. This subject show that workability of the vane in U shape channel is better than in straight channel. Horseshoe vortex’s formation close the trialing edge depends on the high angle of attack. In U shape channel with lateral intake vortex is smaller because of the suction that is made by lateral intake.Keywords: Lateral intake, flow pattern, submerged vanes, fluent, U shape channel
-
نشریه علوم آب و خاک (علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی)، سال بیست و سوم شماره 4 (پیاپی 90، زمستان 1398)، صص 255 -271
به طور کلی رودخانه ها در زمره شاخص ترین و قابل دسترس ترین منابع آبی در اختیار بشر هستند و به دلیل نقش موثر نیروی آب در ایجاد تغییرات در الگوی جریان و به تبع آن بر تغییرات مورفولوژی رودخانه، بررسی و تحلیل هیدرولیکی جریان در رودخانه حائز اهمیت و لازمه طرح های ساماندهی، کنترل سیلاب و سازه های انتقال آب پایین دست است. در این پژوهش، شرایط هیدرولیکی رودخانه دیمه با استفاده از مدل عددی CCHE2D در حد فاصل پل سودجان تا پل اورگان بررسی شده است. مدل CCHED، یک مدل ریاضی توانمند در شبیه سازی الگوی جریان و انتقال رسوب در شبکه های رودخانه ها و کانال های آزمایشگاهی است. این مدل عددی در سال 1998 میلادی، توسط مرکز ملی محاسبات مهندسی و علوم آب دانشگاه می سی سی پی (NCCHE)توسعه یافت و تا به حال در بسیاری از پروژه های تحقیقاتی مهندسی آب به کار گرفته شده است. در ابتدای پژوهش اطلاعات ورودی موردنیاز مدل، نظیر توپوگرافی، دبی و سرعت جریان آب فراهم و مدل عددی اجرا شد. در گام بعدی، نتایج حاصل از اجرای مدل با استفاده از داده های اندازه گیری شده میدانی از عمق و سرعت جریان آب، مورد واسنجی و صحت سنجی قرار گرفت و درنهایت با استخراج نتایج مدل و مقایسه آنها، توانمندی مدل CCHE2D در شبیه سازی الگوی جریان تایید شد.
کلید واژگان: الگوی جریان، رودخانه، صحت سنجی، مدل CCHE2D، مورفولوژیIn general, rivers are one of the best and most accessible water resources at the disposal of mankind. So, given the effect of the force of water and changes on the flow patterns and consequently, on river morphology changes, the analysis of the flow in the river is important and necessary to organize projects, flood control and water supply structures downstream. In this study, by using numerical models CCHE2D hydraulic conditions Dimeh River Bridge between Oregon Bridge Sudjan was investigated. CCHE Model is a mathematical model capable of simulating the flow patterns and sediment transport in rivers and canals laboratory network. The numerical model in 1998, based on the calculations by the National Centre for Water Science and Engineering, University of Mississippi (NCCHE), was developed and has been applied in many research projects related to water engineering. At the outset, the input data required model provides and numerical model was implemented. In the next step, the results of the model were calibrated and validated using field data measurements; eventually, they were extracted and their model results were compared; it was confirmed that CCHE model could still simulate the flow pattern.
Keywords: CCHE Model, Validation, Flow Pattern, Morphology, River
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.