شبیه‌سازی دو بعدی الگوی جریان در مجاری روباز با استفاده از شمای تنصیف زمان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه رازی

2 دانشگاه رازی-گروه مهندسی آب

3 رازی کرمانشاه

10.22125/iwe.2023.375529.1691

چکیده

یکی از مشخصه‌های اصلی مدل آب‌های کم عمق ناچیز بودن بعد قائم جریان در مقایسه با بعد افقی آن بوده، بر این اساس جریان تقریبا افقی در نظر گرفته می‌شود، و همچنین توزیع فشار در عمق را می‌توان هیدرواستاتیک در نظرگرفت. این فرضیات موجب ساده سازی معادلات و حل عددی آن می‌گردد. در روش‌های احجام محدود با استفاده از شبکه‌ی نامنظم مثلثی به راحتی می‌توان هر میدانی با شرایط مرزی پیچیده را مورد تحلیل قرار داد. در حالی که در روش‌های تفاضل محدود دست‌یابی به روش-های با دقت بالا بسیار سخت بوده و هزینه محاسباتی بالایی دارد و اعمال شمای تفاضل محدود در میدان‌های با شرایط مرزی پیچیده، که در عمل زیاد اتفاق می‌افتد، بسیار سخت و عملا غیر ممکن می‌باشد. در این تحقیق پس از توسعه مدل عددی دو بعدی جریان به روش حجم محدود در زبان برنامه نویسی فرترن با در نظر گرفتن شمای تنصیف زمان و با استفاده از شبکه بندی مثلثی به بررسی الگوی جریان در کانال‌های روباز پرداخته شد. همچنین به مقایسه چند مدل آشفتگی صفر معادله‌ای شامل مدل پارابولیک، طول اختلاط پرانتل و مدل اسماگورینسکی پرداخته شد. نتایج مقایسات با داده‌های آزمایشگاهی بیانگر دقت بالای مدل عددی در شبیه سازی‌های صورت گرفته می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Two-dimensional simulation of flow pattern in open channels using time-splitting method

نویسندگان [English]

  • Maryam Teymouri yeganeh 1
  • ‪Mohammad Mehdi Heidari‬‏ 2
  • Rasool Ghobadian 3
1 Razi university
2 razi uni
3 Razi university
چکیده [English]

One of the main characteristics of the shallow water model is that the vertical dimension of the flow is small compared to its horizontal dimension, on this basis the flow is considered almost horizontal, and also the pressure distribution in the depth can be hydrostatically commented These assumptions simplify the equations and solve them numerically. In finite volume methods, any field with complex boundary conditions can be easily analyzed by using an irregular triangular grid. While in finite difference methods, it is very difficult to achieve high accuracy methods and has a high computational cost, and the application of finite difference schemes in fields with complex boundary conditions, which often happens in practice, It is very difficult and practically impossible. In this research, after developing the two-dimensional numerical model of the flow using the finite volume method in the Fortran programming language, taking into account the time halving scheme and using triangular grids, the flow pattern in open channels was investigated. Also, several zero-equation turbulence models including parabolic model, Parantel mixing length and Smagorinsky model were compared. The results of comparisons with laboratory data show the high accuracy of the numerical model in the simulations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • flow pattern
  • open channel
  • finite volume
  • numerical model
  • time-splitting method

مراجع

 
Abbott, Michael B., Basco. D. 1989. Computational Fluid Mechanics. An Introduction for Engineers, Longman. ISBN: 9780582013650. Publisger, Longman Scientific & Technical. https://books.google.com/books?id=GqYeAQAAIAAJ.
Anastasiou, K., Chan, CT. 1997. Solution of the 2D shallow water equations using the finite volume method on unstructured triangular meshes. Int J Numer Methods Fluids; 24:1225–45.
 Baird, D., Abban, B., Michael Scurlock, S., Abt, B., Thornton, I. 2021.Two- Dimensional Numerical Modeling of Flow in Physical Models of Rock Vane and Bendway Weir Configurations. Water. 13(4), 458. https://doi.org/10.3390/w13040458.
Chan, CT., Anastasiou, K. 1999. Solution of incompressible flows with or without a free surface using the finite volume method on unstructured triangular meshes. Int J Numer Methods Fluids 1999; 29:35–57.
De Azevedo, L. G. T., Gates, T. K., Fontane, D. G., Labadie, J. W.  and Porto, R. L. 2000. Integration of water quantity and quality in strategic river basin planning. Journal of Water Resources Planning and Management, 126(2), pp. 85–97. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9496(2000)126:2(85).
Fennema, RT. 1990. Chaudhry MH. Explicit methods for 2D transient free-surface flows. J Hydraul Eng ASCE. 116:1003–14.https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1990)116:8(1013).
Groosi, F., Cusicahua, A., Shademani, M., Shakibaeinia, A. 2022. Experimental and numerical investigations of dam break flow over dry and wet beds. International Journal of Mechanical Sciences. Volume 215. 106946. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106946.
Hou, J., Liang, Q., Zhang, H., Hinkelmann, R. 2015.  An efficient unstructured MUSCL scheme for solving the 2D shallow water equations. Environmental Modeling & Software. Volume 66, pp.131-152. DOI:10.1016/j.envsoft.2014.12.007.
Jin, Y., Steffler, P. 1993. Depth-averged and moment equations for moderately shallow free surface flow, J. Hydraul. Res. 31(1), pp. 5-17. https://doi.org/10.1080/00221689309498856.
Kantoush, S., Bollaert, E., Schleiss, A. 2008. Experimental and numerical modelling of sedimentation in a rectangular shallow basin. International Journal of Sediment Research 23 (3) 212-232. https://doi.org/10.1016/S1001-6279(08)60020-7. 
Namin, M., Lin, B, Falconer, R.A. 2004. Modelling estuarine and coastal flows using an unstructured triangular finite volume algorithm. Advances in Water Resources. 27 (12), PP. 1179–1197. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2004.08.012.
 Nujic, M. 1995. Efficient implementation of non-oscillatory scheme for the computation of free-surface flows. J Hydraul Res. 33: 101–11. https://doi.org/10.1080/00221689509498687.
 Papanicolaou, A.N., Elhakeem, M., Wardman, B. 2011. Calibration and verification of a 2D-hydrodynamic model for simulating flow around bendway weir structures. J. Hydraul. Eng. 137(1), pp.75–89. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000280.
 prandtl, L. 1926. Uber die ausgebildete turbulenz.  Proceedings 2nd International Congress Applied Mechanics, Zurich, 12-17 September 1926, page 62.
Rajaratnam, N., Nwachukwu, B. A. 1983. Flow near groin-like structures. Journal of Hydraulic Engineering, 109(3), pp. 463–480. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1983)109:3(463).
Torabi, M., Hamedi, A., Alamatian, E., Zahabi, H. 2019. The Effect of Geometry Parameters and Flow Characteristics on Erosion and Sedimentation in Channel’s Junction using Finite Volume Method. International Journal of Engineering and Management Research, Volume- 9, Issue- 2, April 2019, Available at SSRN: https://ssrn.com/abstract=3540873 
Uddin, M. J., Hossain, M. M., Ali M. S. 2011. Local scour around submerged bell mouth groin for different orientations. Journal of Civil Engineering, 39(1), pp. 1–18.
Vaghefi, M., Ghodsian, M., Neyshabouri, S. A. A. S. 2012. Experimental study on scour around a T-shaped spur dike in a channel bend. Journal of Hydraulic Engineering, 138(5), pp. 471–474. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000536.
Xie, B.L. 1994. Flow data measured in a channel with sudden expansion. Wuhan University, China, Private communication.
Yeo, H. K., Kang, J. G., Kim, S. J. 2005. An experimental study on tip velocity and downstream recirculation zone of single groynes of permeability change. KSCE Journal of Civil Engineering, 9(1), pp. 29–38. https://doi.org/10.1007/BF02829094.
 Zhang, SQ., Ghidaoui, MS., Gray, WG. 2003. A kinetic flux vector splitting scheme for shallow water flows. Adv Water Resour. 26(6), pp.635–47. https://doi.org/10.1016/S0309-1708(03)00029-0.
Zhao, DH., Shen, HW., Lai, JS., Tabios, GQ. 1996. Approximate Riemann solvers in FVM for 2D hydraulic shock modelling. J Hydraul Eng ASCE.122:692–702. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1996)122:12(692).

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار