تحلیل سه‌بعدی تأثیر تکیه‌گاه پل متصل به دیواره کانال بر پارامترهای هیدرولیکی جریان با استفاده از Flow-3D

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران،

2 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

3 گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه محقق اردبیلی

4 آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

چکیده

در تحقیق حاضر، شبیه­سازی سه­بعدی جریان در یک کانال مستطیلی شامل یک تکیه­گاه عمودی، با به­کارگیری مدل Flow-3D، انجام گرفت. جهت صحت­سنجی نتایج عددی، از ﻣؤﻟﻔﻪﻫﺎی ﺳﻪﺑﻌﺪی ﺳﺮﻋﺖ ﺟﺮﯾﺎن ﭘﯿﺮاﻣﻮن ﺗﮑﯿﻪﮔﺎه حاصل از یک مطالعه آزمایشگاهی استفاده گردید. پس از مقایسه بین مقادیر اندازه­گیری شده و عددی، نشان داده شد که مدل RNG با داشتن ضریب تعیین (963/0 = R2)، ریشه میانگین مربعات خطا (02/0 RMSE =) و میانگین قدر مطلق خطا (03/0 MAE =) نسبت به دو مدل آشفتگی K-𝜀 و LES از عملکرد بهتری برخوردار بود و مش بهینه نیز بر اساس این مدل تعیین گردید. نتایج نشان داد که توجه به گردابه­های بازگشتی و نوسانات سرعت در حوالی تکیه­گاه، به‌خصوص در پایین­دست آن، در طراحی مناسب هندسه و محل جای­گیری تکیه­گاه ضروری می­باشد. ویسکوزیته و انرژی آشفتگی جریان در پایین­دست تکیه­گاه مستطیلی به بیشینه مقدار رسیده و تأثیر حضور مانع را مشخص­تر نمود. بررسی­ها همچنین نشان داد که در مقطع بعد از تکیه­گاه، هم­زمان با منفی شدن سرعت و کاهش بزرگی آن، ویسکوزیته سیر افزایشی داشت و تا مقدار 67/0 پاسکال ثانیه رسید. مقطع میانی تکیه­گاه، کمترین (00245/0 ژول بر کیلوگرم) و مقطع بعد از آن، بیشترین انرژی آشفتگی (برابر با 59/3 ژول بر کیلوگرم) را داراست. تغییرات فشار حول تکیه­گاه نیز حاکی از آن بود که فشار بیشینه (برابر با 933 پاسکال) در مقطع قبل از تکیه­گاه و فشار کمینه (برابر با 860 پاسکال) در مقطع بعد از تکیه­گاه اتفاق می­افتد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Three-dimensional Analysis of the Effect of Attached-Abutment to the Channel Wall on the Hydraulic Parameters of Flow, Using Flow-3D Software

نویسندگان [English]

  • Hojat Karami 1
  • khosrow hoseini 2
  • Saeed farzin 2
  • , Mohamadreza Nikpour 3
  • Somayeh Anjomrooz 4
1 Assistant professor, Civil Engineering Faculty, Semnan University
3 Assisstant Professor. Department of Water Engineering. University of Mohaghegh Ardabili.
4 M.Sc. student, Civil Engineering Faculty, Semnan University
چکیده [English]

Abstract
In the present research, three-dimensional flow in a rectangular channel, containing a bridge abutment, was simulated by using flow-3D software. For validation of the numerical results, three-dimensional components of flow velocity in the vicinity of the abutment were obtained from an experimental test. After comparison of the measured and numerical results, it was shown that RNG performed better (R2= 0.963, RMSE=0.02 and MAE= 0.03) than the other two turbulence models (LES and k-ε). The optimum mesh size was chosen based on the above results. Results revealed that it is necessary to consider return vortices and fluctuations in flow velocity in the vicinity of the abutment, especially in the downstream, for proper design and location of abutment geometry. Viscosity and energy of flow turbulence in the downstream of the rectangular abutment reached their maximum value and existence of the obstacle was more pronounced. It was shown that in the section after the abutment, simultaneous reduction of velocity and becoming negative, the viscosity had an increasing trend and reached up to 0.67 Pa sec. The section located in the middle of the abutment had minimum turbulence energy (0.00245 J/kg) and the next section had maximum turbulence energy (3.59 J/kg). Pressure variations around the abutment showed that maximum pressure (933 Pa) occurred in the previous section and minimum pressure (860 Pa) was seen after the abutment.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Keywords: Flow hydraulic parameters
  • Rectangular Abutment
  • Turbulent models
  • Flow-3D
  • RNG

 

حسینی، ه.، ن. هاتف و ن. طالب‌بیدختی. 1393. شبیه­سازی سه­بعدی حفره آبشستگی اطراف تکیه­گاه پل با دیواره­ی قائم با نرم­افزارFLOW-3D. نشریه مهندسی عمران شریف، دوره 30-2 ، شماره­ 2، ص 123-117.

خزیمه­نژاد، ح.، م. قمشی، م. شفاعی ‌بجستان و ی. رمضانی. 1394. بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان و آبشستگی پیرامون تکیه­گاه پل با مقطع مستطیلی. پژوهش­های حفاظت آب و خاک، دوره 22 ، شماره 1، ص 110-91.

رمضانی، ی.، ر. باباگلی سفیدکوهی. 1395. مقایسه مدل­های آشفتگی در تخمین تنش برشی بستر پیرامون تکیه­گاه پل در مقطع مرکب، نشریه دانش آب و خاک، دوره 26 ، شماره 2، ص 109-95.

زراﺗﯽ، ا.ر. ﻣﺘﺮﺟﻢ. 1381. ﻧﻘﺶﻋﻮاﻣﻞﻫﯿﺪروﻟﯿﮑﯽ درﻃﺮاﺣﯽ ﭘﻞﻫﺎ. اﻧﺘﺸﺎرات داﻧﺸﮕﺎه اﻣﯿﺮﮐﺒﯿﺮ.

قاسم­زاده، ف. 1392. شبیه­سازی مسائل هیدرولیکی در FLOW-3D، انتشارات نوآور، چاپ دوم.

معیری، م.، ع. حسین ­زاده دلیر، ف. سلماسی، د. فرسادی زاده، س.ع. اشرف صدرالدینی. 1392. شبیه­سازی دوبعدی جریان در سرریزهای پلکانی با استفاده از مدل­های آشفتگی و مقایسه نتایج با مدل فیزیکی. نشریه دانش آب و خاک، دوره 23 ، شماره 1. ص 14-1.

Barbhuiya, A.K., S. Dey. 2004. Measurement of turbulent flow field at a vertical semicircular cylinder attached to the sidewall of a rectangular channel. Flow Measurement and Instrumentation, 15(2): 87-96.

Barbhuiya, A.K., S. Dey. 2004. Turbulent flow measurement by the ADV in the vicinity of a rectangular cross-section cylinder placed at a channel sidewall. Flow Measurement and Instrumentation, 15(4): 221-237.

Basser, H., R. Cheraghi., H. Karami, A. Ardeshir, M. Amirmojahedi, S.h. Akib, A. Jahangirzade, S.h. Shamshirband. 2015. Modeling sediment transport around a rectangular bridge abutment. Environmental Fluid Mechanics, 15(6): 1105-1114.

Dey, S., Y.M. Chiew, M.S. Kadam. 2008. Local scour and riprap stability at an abutment in a degrading bed. Journal of Hydraulic Engineering. American Society of Civil Engineers. 134(10): 1496-1502.

Hosseini, Kh., H. Karami, H. Hosseinjanzade and A. Ardeshir. 2016. Prediction of time-varying maximum scour depth around short abutments using soft computing methodologies- A comparative study. KSCE Journal of Civil Engineering. 20(5): 2070-2081.

Karami, H., H. Basser. A. Ardeshir, S.H. Hosseini. 2014. Verification of numerical study of scour around spur dikes using experimental data. Water and Environment Journal. 28(1): 124-134.

Kumcu, S. Y., M. A. Kokpinar. M. Gogus. 2014. Scour Protection around Vertical-Wall Bridge Abutments with Collars. KSCE Journal of Civil Engineering. 18(6): 1884-1895.

Rahimzadeh, H., R. Maghsoodi, H. Sarkardeh, S. Tavakkol. 2012. Simulating Flow Over Circular Spillways by Using Different Turbulence Models. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 6(1): 100-109.

Oben-Nyarko, K., R. Ettema. 2011. Pier and Abutment Scour Interaction. Journal of Hydraulic Engineering. 137(12): 1598-1605.

Sajjadi, S. A. H., S. H. Sajjadi, H. Sarkardeh. 2016. Accuracy of Numerical Simulation in Asymmetric Compound Channels. International Journal of Civil Engineering. 1-13.

Smith, H. D. 2004. Modeling the flow and scour around an immovable cylinder. MS thesis. The Ohio State University.