بررسی عددی تاثیر انسداد ورودی کالورت بر هیدرولیک جریان با استفاده از

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا همدان

2 استادیار سازه‌های آبی، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران

3 دانشیار، دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی

چکیده

کالورت یکی از سازه­های اصلی جهت عبور جریان سطحی در راه­ها و خطوط ریلی است. جریان آب همراه با انتقال رسوبات و مواد زائد و شناور، سبب انسداد کالورت­ها و پس­زدگی آب، و در نتیجه کاهش ظرفیت انتقال سیلاب می­گردد. هدف اصلی این پژوهش مدل­سازی فیزیکی و شبیه­سازی عددی اثرات درصدهای مختلف انسداد در ورودی کالورت­ها بر هیدرولیک جریان بوده است. اثرات انسداد کالورت در 21 آزمون تجربی بررسی شد. برای تکمیل آزمون انسدادهای محتمل در کالورت، از مدل متن­باز OpenFOAM استفاده شد. سه سناریو انسداد با مساحت ورودی 20، 40 و 60 درصد شبیه سازی گردید. مدل ریاضی با داده­های مدل فیزیکی واسنجی شد. در شبیه­سازی جریان در انسدادهای مختلف دهانه کالورت، مدل تلاطم LES در OpenFOAM عملکرد بهتری نسبت به مدل­های تلاطم گروه RAS نشان داد. نتایج شبیه­سازی مشخصات جریان با کاربرد مدل تجاری FLOW-3D مقایسه و تائید گردید. نتایج برای سه جریان مختلف (40، 60 و 100 درصد از بده­ طراحی) نشان داد که در شرایط انسداد یکسان، نرخ افزایش تراز سطح آب بالادست برای بده­های کمتر، بیشتر از بده طراحی است. انسداد باعث تغییر در شدت تلاطم و تنش برشی در خروجی کالورت می­شود. برای بده طراحی با انسداد 40 درصد، میزان تنش برشی تا 10 برابر افزایش می یابد؛ که سبب آبشستگی بیشتری در آبراهه پایین­دست کالورت می گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Culvert Inlet Blockage Effects on Flow Hydraulics using OpenFOAM

نویسندگان [English]

  • somayeh Karimpour 1
  • Saeed Gohari 2
  • Mehdi Yasi 3
1 Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, Bu Ali-Sina University, Hamedan.
2 Assistant Professor, Department of Water Engineering, College of Agriculture, Bu-Ali Sina University, Hamadan, Iran
3
چکیده [English]

Culvert is one of the main structures in drainage systems at crossing with railways and roads. Flood flows, along with the transport of sediments and floating debris, can cause blockages and backwater, thereby reducing flood flow capacity. The main purpose of this study was to physically model and numerically simulate the effects of different percentages of blockages on culvert hydraulic characteristics. Blockage effects investigated in 21 laboratory experiments. Complementary tests were carried out with the use of OpenFOAM numerical tool box. Three blockage scenarios have been numerically simulated with 20, 40 and 60 percent coverage of inlet area. The numerical model was calibrated using the experimental data. The simulation results of OpenFOAM in different culvert inlet blockages indicated that the LES turbulent model is more adaptive than RAS models. The main flow characteristics were compared with the corresponding simulation results from the trademark FLOW-3D model, and showed good agreement for verification purpose. Results for different flows (i.e. 40, 60 and 100 percent of the design discharge) showed that the increasing rate of upstream water level is not identical, and is higher for the lower discharges. Blockage also intensifies turbulence and shear stress levels in the outlet section. For design discharge, the 40 percent blockage resulted in the increase of shear stresses up to 10 times, which cause severe scour in downstream channel.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Blockage
  • Culvert
  • Turbulence model
  • OpenFOAM
  • FLOW-3D

مراجع

زایری, م. ر و قمشی, م. 1396. بررسی عددی تأثیر صفحه متخلخل در کنترل جریان غلیظ. نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران, 8(1), 18-29.
منصوری, ر. معافث, ف. بهشتی راد, م. و کاربخش, ع. 1398. بررسی خصوصیات هیدرولیکی در پرتابه جامی شکل با استفاده از مدل عددی. نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران, 10(2), 12-1.
Abdollahi, A., Kabiri-Samani, A., Asghari, K., Atoof, H. and Bagheri, S. 2017. Numerical modeling of flow field around the labyrinth side-weirs in the presence of guide vanes. ISH Journal of Hydraulic Engineering 23)1(: 71-79.
Barnard, R. J., Yokers, S., Nagygyor, A., and Quinn, T. 2015. An evaluation of the stream simulation culvert design method in Washington State. River Research and Applications, 31(10), 1376-1387.
 Baykal, C., Sumer, B. M., Fuhrman, D. R., Jacobsen, N. G., and Fredsøe, J. 2015. Numerical investigation of flow and scour around a vertical circular cylinder. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 373(2033), 20140104.
Bayon, A., Arnau, R, and Lopez-Jimenez, A. P. 2015 Numerical analysis of hydraulic jumps using OpenFOAM. Journal of Hydroinformatics 17 (4): 662-678.
Bayon, A., Valero, D., García-Bartual, R., and López-Jiménez, P. A. 2016. Performance assessment of OpenFOAM and FLOW-3D in the numerical modeling of a low Reynolds number hydraulic jump. Environmental modelling & software, 80, 322-335.
Ho, H. C. 2010. Investigation of unsteady and non-uniform flow and sediment transport characteristics at culvert sites.
Ho, H.C., Muste, M., and Ettema, R. 2013. Sediment self-cleaning multi-box culverts. Journal of Hydraulic Res. IAHR, 51(1), 92-101.
Holzinger, G. 2015. OpenFOAM a little user-manual. CD-Laboratory-Particulate Flow Modelling Johannes Keplper University, Linz, Austria.
Lubin, P., Chanson, H., and Glockner, S. 2010. Large eddy simulation of turbulence generated by a weak breaking tidal bore. Environmental Fluid Mechanics, 10(5), 587-602.
Rigby, E.H., and Barthelmess, A.J. 2011. Culvert blockage mechanisms and their impact on flood behavior-are all blockages created equal? In Proceedings of the 34th World Congress of the International Association for Hydro-Environment Research and Engineering, Brisbane, Australia, 380–387.
Rodi, W. 1993. Turbulence models and their application in hydraulics. CRC Press.
Shaheed, R. 2016. 3D Numerical Modelling of Secondary Current in Shallow River Bends and Confluences (Doctoral dissertation, University of Ottawa).
Shim, Jaeho, Jennifer Duan, and Hongki Jo. 2016. Simulating Sediment Transport around a Bridge Pier using OpenFOAM Software. World Environmental and Water Resources Congress 2016.
Som, S., Senecal, P. K., and Pomraning, E. 2012. Comparison of RANS and LES turbulence models against constant volume diesel experiments. In ILASS Americas, 24th annual conference on liquid atomization and spray systems, San Antonio, TX.
Sorourian, S., Keshavarzi, A.R., Ball, J. 2015. Scour at partially blocked box-culverts under steady flow. Proc. Inst. Civ. Eng. Water Manage. 15(19), 1-13.
Weeks, W., Barthelmess, A., Rigby, E. and Witheridge, G. 2009, Australian Rainfall and Runoff. Revision Project11: Blockage of Hydraulic Structures. Engineers Australia.
Weeks, W., Witheridge, G., Rigby, E., and Barthelmess, A. 2013. Project 11: blockage of hydraulic structures.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار