مطالعة آزمایشگاهی مشخصات سه‌بعدی جریان بر روی کلاسترها

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه مهندسی آب دانشگاه زنجان

2 استاد گروه آبیاری و آبادانی دانشگاه تهران

3 استاد گروه مهندسی آبیاری دانشگاه تهران

چکیده

کلاستر‌ها یکی از انواع فرم‌های بستر در رودخانه‌های با بستر شنی هستند. این فرم‌های بستر به دلیل این‌که شرایط جریان و انتقال رسوب را تحت تاثیر قرار می‌دهند، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند. در این تحقیق، برای بررسی دقیق‌تر تاثیر این فرم‌های بستر بر روی شرایط متوسط و تلاطمی جریان، از یک مدل آزمایشگاهی استفاده شد. در این رابطه، از یک دستگاه سرعت سنج صوتی (ADV) که امروزه در مطالعات جریان متلاطم مورد استفاده قرار می‌گیرند، برای اندازه‌گیری سرعت و نوسانات آن استفاده شد. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که کلاسترها تاثیر قابل توجهی بر خصوصیات جریان در مقایسه با جریان بدون کلاستر داشته و موجب انتقال مقادیر حداکثر RMS و تنش برشی رینولدزی به اعماق بالاتر می‌شود. همچنین، کلاستر موجب ایجاد یک لایة برشی در پایین دست خود می‌شود که در آن مناطق مختلفی از جمله شتاب یافتن جریان برروی کلاستر، جدایی جریان در دنبالة کلاستر، پخش گردابه (Vortex shedding) از تاج کلاستر، اتصال دوبارة جریان (reattachment) در پایین‌دست کلاستر و بازگشت جریان به حالت اولیه قابل شناسایی هستند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental investigation of 3D flow over cluster microforms

نویسندگان [English]

  • Massoud Karbassi 1
  • Mohammadhossien Omid 2
  • Javad Farhoodi 3
چکیده [English]

Cluster microforms are a type of small scale bedform found in the surface layer of some gravel bed rivers. These bedforms are comprised of discrete, organized groupings of particles that sit above the average elevation of the surrounding bed. As part of the structural organization of the bed, clusters are believed to impact the local dynamics of the fluvial system through the feedback process involving the flow field, entrainable sediment, and stable bed morphology. To investigate the effects of the cluster on average and turbulent characteristics a laboratory model has been used. An acoustic Doppler velocimeter (ADV) has been used to measure average velocities and fluctuations. Results of this study show that compared with nonclusterd bed, clusters have significant effects on flow characteristics. Clusters cause to change the location of maximum RMS (root mean square) and Reynolds shear stress and move it upward. Clusters create a shear layer downstream of it. The results of analysis show that one can distinguish five different areas over a cluster: flow acceleration up the stoss-side of the cluster; recirculation behind the cluster in the wake region; vortex shedding from the pebble crest and shear layer; flow reattachment  downstream of the cluster; upwelling of flow downstream of the point of reattachment; and recovery of flow.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cluster
  • Flow Structure
  • Gravel Bed Rivers
  • Turbulence
 

  1. ADV Field Operation Manual.  2001.  SonTek Company.
  2. Brayshaw, A.C., L.E. Frostick and I. Reid. 1983. Hydrodynamics of particle clusters and sediment entrainment in coarse alluvial channels. Sedimentology, 30:137–143.
  3. Buffin-Bélanger, T. and A. G. Roy. 1998. Effects of a pebble cluster on the turbulent structure of a depth-limited flow in a gravel-bed river. Geomorphology, 25:249–267.
  4. Cea, L., J. Puertas and L. Pena. 2007. Velocity measurements on highly turbulent free surface flow using ADV. Exp. Fluids, 42:333– 348.
  5. Chang, H.H. 1998. Fluvial processes in river engineering, Reprint Ed. Wiley, New York.
  6. Finelli, C.M., D.D. Hart and D.M. Fonseca. 1999. Evaluating the spatial resolution of an acoustic Doppler velocimeter and the consequences for measuring near-bed flows, Limnol. Oceanogr.
  7. Ge, L., S.O. Lee, F. Sotiropoulos and T. Sturm. 2005. 3D unsteady RANS modeling of complex hydraulic engineering flows. II: Model validation and flow physics. J. Hyd. Eng., 131(9):809–820.
  8. Goring, D.G. and V.I. Nikora. 2002. Despiking acoustic Doppler velocimeter data. J. Hydraul. Eng., 128(1):117–126.
  9. Gustavson, T.C. 1974. Sedimentation on gravel outwash fans, Malaspina glacier foreland. Alaska. Journal of. Sedimentary Research, 44:374–389.
  10. Kirkbride, A. 1993. Observations of the influence of bed roughness on turbulence structure in depth limited flows over gravel beds. Turbulence: Perspectives on flow and sediment transport, N., J. Clifford, J. R. French, and J. Hardisty, eds., Wiley, New York, 185–196.
  11. Kozlowski, B. and P. Ergenzinger. 2000. Ring structures-A specific new cluster type in steep mountain torrents. Proc., Int. Association of Hydraulic Research Conf. Graz, Austria, August 28.
  12. Lawless, M. and A. Robert. 2001. Three-dimensional flow structure around small-scale bedforms in a simulated gravel-bed environment.  Earth Surf. Processes Landforms, 26: 507–522.
  13. Liu, M., D.Z. Zhu and N. Rajaratnam. 2002. Evaluation of ADV measurements in bubbly two-phase flows. Proc., ASCE/EWRI and IAHR Int. Conf. on Hydraulic Measurements and Experimental Methods.
  14. Martin, V., T. Fisher, R. Millar and M. Quick. 2002. ADV data analysis for turbulent flows: Low correlation problem. Proc., ASCE/ EWRI and IAHR Int. Conf. on Hydraulic Measurements and Experimental Methods, Vol. 113, p. 101.
  15. Millar, R.G. 1999. Grain and form resistance in gravel-bed rivers. J.  Hydraul. Res., 37(3): 303–312.
  16. Nikora, V.I. and G.M. Smart. 1997. Turbulence characteristics of New Zealand gravel-bed rivers. J. Hyd. Eng., ASCE, 123(9):764–773.
  17. Papanicolaou, A.N., K. Strom, A. Schuyler and N. Talebbeydokhti. 2003. The role of sediment specific gravity and availability on cluster evolution. Earth Surf. Processes Landforms, 28:69–86.
  18. Storm, K. 2006. Cluster bedforms in mountain rivers. PhD Thesis, Iowa University.
  19. Storm, K. B. and A.N. Papanicolaou. 2007. Morphological characterization of cluster microforms, Sedimentology, 5(1):137 –153.
  20. Wahl, T.L. 2000. Analyzing ADV data using WinADV. Proc., 2000 Joint Conf. on Water Resources Engineering and Water Resources Planning & Management, Minneapolis, 1–10.
  21. Whittaker, J.G. 1987. Sediment transport in step-pool streams. in Thorne, C. R.,  Bathurst, J. C., and Hey, R.D., eds., Sediment transport in gravel-bed rivers: Chichester, United Kingdom, John Wiley and Sons, p. 545–579.
  22. Wohl, E.E. 2000. Mountain Rivers, American Geophysical Union, Washington, D.C.