وبلاگ

1-1-­ کلیات
تاریخ آبرسانی از روزگاری آغاز می‌گردد كه بشر زندگی گروهی را برگزید. لذا برای تأمین نیاز خود از آب، اولین شهرها را در كنار رودخانه‌هایی مانند نیل، دجله، فرات، سند ساخت. با رشد جمعیت و سكنی گزیدن در مكانهایی دور از رودخانه و همچنین نیاز به آب برای مقاصد كشاورزی، شرب و استفاده در صنعت و …، انسان به فكر جابجا كردن و انتقال آب افتاد. در كنار مسألة انتقال آب، همواره مشكل رسوبات وارده به كانال­ها و سیستم­های انتقال نیز وجود داشته است، زیرا سرعت جریان در محدوده­ این سازه‌ها در مقایسه با رودخانه­ی اصلی كاهش می‌یابد و به منطقه­ بسیار مناسبی برای ته‌نشینی رسوبات تبدیل می‌شود. با گذشت زمان كم‌كم دهانة آبگیر از رسوبات پر شده و باعث بروز مشكلات بهره‌برداری از این تأسیسات خواهد شد.
 در این راستا اولین ایده‌ای كه به ذهن می‌رسد استفاده از سیستم لایروبی و تخلیة رسوبات از سیستم خواهد بود كه هزینه‌های بالایی را در بر خواهد داشت و بهمین دلیل بهتر است رسوبات ورودی به آبگیر حداقل شود تا مشكلات و تبعات حاصل از آن نیز كاهش یابد. از این رو بشر از زمان های قدیم و همزمان با بهره گرفتن از آب رودخانه، به دنبال راه های تقلیل ورود رسوبات به سیستم و نیز افزایش راندمان آبگیری بوده است. استفاده از سازه‌های انحراف و دفع رسوب، طراحی شكل آبگیر و جانمایی آن در قوس خارجی خم، نمونة بارزی از اینگونه اقدامات بشمار می‌آیند. آبگیری از قوس خارجی رودخانه‌ها بدلیل كاهش ورود رسوبات به آبگیر همواره مورد توجه محققین قرار داشته است. عدم کنترل رسوب ورودی به آبگیرها در مسیرهای مستقیم و قوسی باعث انتقال رسوبات به داخل کانال­های آبیاری و تاسیسات شده و مشکلاتی را برای قسمت ­های مختلف بوجود می­آورد. ذرات معلق در آب در صورتی که سرعت زیادی داشته باشند، خسارات زیای را به تاسیسات بکار رفته مثل پمپ و توربین وارد می­ کنند. نمونه ­ای از این مشکلات را   می­توان در دهانه آبگیر واقع در رودخانه Ohio در شکل 1-1 مشاهده کرد که با تجمع رسوبات در   دهانه­ی آبگیر عرض دهانه کاهش یافته و منجر به کاهش دبی آبگیری می­ شود.
به طور کلی قوس خارجی رودخانه محل مناسبی برای آبگیری انتخاب می­ شود.  علت این امر، نقش جریان حلزونی در کنترل رسوب ورودی به آبگیر می­باشد که در ادامه مکانیسم تشکیل جریان حلزونی توضیح داده می­ شود. در مطالعه روی آبگیری از قوس رودخانه­ها سه پارامتر موقعیت آبگیری، زاویه آبگیر نسبت به جهت جریان و نسبت دبی آبگیری از جمله پارامترهای مهم در کاهش رسوب ورودی به آبگیر حائز اهمیت است. برای بهره ­برداری کامل از مزیت خم، موقعیت آبگیر باید در مقطعی که جریان حلزونی به توسعه یافتگی کامل می­رسد قرار گیرد. انتخاب زاویه مناسب آبگیر باعث می­گردد که جریان با کمترین اغتشاش و بدون پدیده جدائی وارد آبگیر شود. همچنین هر چه سرعت ورودی و به عبارت دیگر نسبت انحراف بیشتر شود، اغتشاشات ناشی از جریان باعث اتلاف بیشتر انرژی جریان ورودی و نیز انتقال رسوبات کف به آبگیر خواهد شد.
1-2-­ نحوه شکل­ گیری الگوی جریان و فرسایش در قوس رودخانه­ها
جریان در مجاری هیدرولیکی دارای طبیعت سه بعدی بوده و علاوه بر جهت غالب، که همان جهت اصلی[1]نامیده می­ شود، در جهات دیگر نیز وجود دارد. این جریان­ها که در داخل مقطع عرضی رخ می­ دهند به جریان­های ثانویه موسوم هستند. در منابع مختلف، محققین از این نوع جریان، علاوه بر جریان ثانویه، با نام­هایی چون حرکت ثانویه، چرخش ثانویه، جریان عرضی، چرخش عرضی، جریان مقطعی و … نام برده­اند.  
    سیرای در سال 1976 تعریفی نسبتا کاربردی برای جریان ثانویه ارائه داده است ]1[: اگر در یک جریان سه بعدی، اندازه یک بردار تشکیل شده از تعادل دو مولفه از بردار سرعت محلی، در مقایسه با مولفه سوم کوچک باشد، بردار سرعت اخیر (بردار سوم)، جریان اصلی در کانال را تشکیل می­دهد و دو مولفه قبلی جریان­های ثانویه را تشکیل می­دهند.
پرانتل جریان ثانویه را برحسب نوع نیروهای بوجود آورنده آن به دو دسته کلی تقسیم می­ کند ]2[:

 

• جریان ثانویه ناشی از آشفتگی

 

• جریان ثانویه ناشی از فشار

وی جریان ثانویه ناشی از آشفتگی را به خاطر وجود اختلاف تنش­های آشفتگی در مجاری با مقاطع غیردایروی می­داند و قدرت آنها را در حدود 5 تا 10 درصد قدرت جریان طولی ذکر می­ کند. ایشان عامل شکل­دهنده جریان ثانویه ناشی از فشار را نیز، نیروی گریز از مرکز معرفی می­ کند که از طریق ایجاد شیب جانبی در سطح آب، باعث ایجاد اختلاف فشار بین دیواره داخلی و خارجی می­ شود و قدرت این نوع جریان ثانویه را در حدود20 تا 30 درصد قدرت جریان طولی عنوان کرده­ است.
رزوفسکی ]3[ در سال 1957 توضیحی ریاضی برای نحوه شکل­ گیری جریان ثانویه ناشی از فشار ارائه داده است. وی با درنظر گرفتن یک حجم کنترل در فاصله Z از بستر کانال که در امتداد مسیری به شعاع ثابت، حرکت می­ کنند (شکل2-1)، نشان داد که با صرف نظرکردن از نیروی اصطکاک، با تعادل تمام نیروهای وارد بر حجم کنترل، رابطه زیر برای محاسبه شیب عرضی سطح آب به دست خواهد آمد:

 

 

شکل 1-2 طرحی از شیب عرضی سطح آب و جریان چرخشی شکل گرفته در بازه قوسی شکل کانال]3[
لذا این­گونه می­توان­ عنوان کرد که با ورود جریان به قوس، نیروی گریز از مرکز بر آن اثر می­كند که این نیرو در راستای شعاع قوس و نیز در جهت عمق بخاطر تغییرات سرعت، متغیر می­باشد. نیروی گریز از مرکز موجود در خم باعث ایجاد شیب عرضی در سطح آب می­ شود که سطح آب را در قوس بیرونی بالا برده و در قوس داخلی باعث کاهش عمق می­ شود. این پدیده باعث ایجاد گرادیان فشار جانبی در داخل مقطع خواهد شد. حال هرگاه گرادیان فشار مزبور بر نیروی گریز از مرکز غلبه کند، جریانی در جهت عرضی داخل مقطع شکل می­گیرد که همان جریان ثانویه می­باشد. در اثر این جریان، ذرات موجود در سطح آب بطرف دیواره بیرونی حرکت کرده و ذرات سیال در کف بطرف دیواره داخلی جابجا می­شوند. در شکل 1-3 الگوی جریان ثانویه نشان داده شده است علاوه براین در این شکل جریان ثانویه دیگری در نزدیک دیواره خارجی نیز وجود دارد. اگرچه این جریان ثانویه از قدرت چرخشی کمتری برخوردار می باشد اما عامل مهمی در فرسایش دیواره خارجی دارد.
 

 

 

در اثر اندرکنش جریان ثانویه با پروفیل غیریكنواخت سرعت طولی، الگوی جریان خاصی به نام جریان حلزونی تشکیل می­ شود که باعث تغییرات زیادی در الگوی جریان قوس نسبت به جریان در کانال مستقیم می­ شود، همچنین سبب می‌گردد كه قوس خارجی فرسایش یافته و رسوبات به قوس داخلی منتقل شود و در نتیجه خط‌القعر رودخانه بطرف قوس خارجی متمایل شود. بنابراین منطقی به نظر می‌رسد كه آبگیری از ساحل خارجی خم رودخانه صورت پذیرد تا هم رسوبات كمتری به داخل دهانة آبگیر منحرف شود و هم به علت افزایش عمق آب در این قسمت بتوان آب را در ترازهای بالاتری كه رسوبات كمتری را با خود حمل می‌كنند، برداشت نمود. در شکل 1-4 این جریان نشان داده شده است.
­ عوامل موثر بر الگوی جریان در کانال قوسی
در یک کانال قوسی شکل، عوامل موثر بر الگوی جریان می­توانند به صورت پارامترهای زیر معرفی شوند ]3[:

 

• زاویه مرکزی قوس.

 

• نسبت شعاع انحنای مرکزی به عرض مقطع جریان.

 

• نسبت عرض مقطع جریان به عمق جریان.

• 

•  

 

• زبری بستر کانال و جداره­های آن.

 

• شرایط جریان ورودی در بالادست کانال.

در کانال­های غیر مستقیم، رژیم جریان ورودی تاثیر بسزایی بر الگوی جریان دارد. در حالت کلی در جریان­های زیر بحرانی، سطح آب حالت صاف داشته و بربلندی جانبی ملایمی دارد، در حالی که در جریان­های فوق بحرانی، سطح آب دارای امواج جانبی بوده و بربلندی ایجاد شده بسیار بیشتر از حالت زیربحرانی می­باشد ]4[. در مطالعه جریان­های زیربحرانی جریان حلزونی نقش اصلی را داشته و اصطکاک نقش مهمی در شکل­ گیری آن بازی می­ کند. بنابراین در تحلیل چنین جریان­هایی، عدد رینولدز به عنوان یک پارامتر مهم مطرح می­باشد. برای حالت فوق بحرانی، هدف اصلی از تحقیق، بررسی مکانیسم امواج جانبی می­باشد. این امواج نشانگر تاثیر مستقیم ثقل بر سطح آب بوده و در نتیجه، پارامتر اصلی در تحلیل چنین جریان­هایی عدد فرود جریان ورودی می­باشد. در بین پارامترهای فوق، نسبت شعاع انحنای مرکزی به عرض مقطع جریان در شکل­ گیری الگوی جریان بسیار مهم بوده و در حالت کلی با توجه به مقدار این پارامتر، می­توان قوس­ها را به دو دسته زیر تقسیم ­بندی کرد ]3[:
جدول 1-1 تقسیم ­بندی قوس­ها بر اساس نسبت شعاع انحنا به عرض مقطع کانال.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

نوع قوس	نسبت شعاع انحنای مرکزی به عرض مقطع جریان
تند	کوچکتر از 3
ملایم	بزرگ­تر از 3

1-4-­ الگوی جریان در آبگیری از مسیر مستقیم
وضعیت شماتیک جریان در یک آبگیر که با زاویه 90 درجه در یک مسیر مستقیم نصب شده است، توسط نیری و همكاران در شكل1-5 ارائه شده است. همانگونه كه در این شکل مشاهده می‌شود الگوی جریان ناشی از احداث آبگیر جانبی جهت انشعاب آب رودخانه دارای خصوصیات پیچیده­ای بوده و کاملا سه بعدی می­باشد. با نزدیک شدن جریان به آبگیر بخاطر فشار مکشی اعمالی از طرف کانال جانبی، جریان در جهت عرضی شتاب گرفته و به دو قسمت تقسیم می­ شود. قسمتی وارد آبگیر شده و مابقی در کانال اصلی پایین­ دست جریان می‌یابد. قسمتی که وارد کانال انشعاب می­ شود، توسط صفحه برشی خمیده­ای معین می‌شود که به صفحه تقسیم­کننده جریان معروف است. جریانی که وارد آبگیر می‌شود، دارای مومنتم شدیدی در جهت کانال اصلی بوده و به همین علت داخل آبگیر، جدایی جریان اتفاق می افتد (ناحیه A در شكل1-5). بخاطر وجود گرادیان فشار جانبی، تنش برشی بستر و نیروی جانب مرکز ناشی از انحناء خطوط جریان، جریان ورودی به آبگیر دچار عدم تعادل شده و همین پدیده باعث ایجاد جریان ثانویه­ای در طول آبگیر می‌شود که مکانیسم تشکیل آن شبیه مکانیسم تشکیل جریان حلزونی در قوس­ها می‌باشد، بطوریكه صفحه برشی مزبور به عنوان دیواره بیرونی عمل کرده و ناحیه قوسی شکل ایجاد شده توسط قسمت چرخشی داخل آبگیر (ناحیه A در شكل1-5)، دیواره داخلی قوس مزبور را تشکیل می‌دهد. پس از آنكه رسوبات مجاور كف به داخل آبگیر منتقل گردیدند، جریان ثانویه رسوبات را به داخل منطقه با چرخش كم (ناحیه A)، یعنی جایی كه جریان از دیواره بالادست آبگیر جدا شده هدایت می‌كند. رسوبات با وجود سرعت‌های كم نمی‌توانند از منطقه جداشدگی منتقل شوند، در نتیجه امكان ته‌نشینی رسوبات و انسداد مسیر جریان به وجود می آید ]5[.
شكل 1-5 الگوی جریان در یک انشعاب از مسیر مستقیم ]5[
در آبگیری از مسیر مستقیم با مقطع مستطیلی، مقدار عرض صفحه تقسیم جریان در کف بیشتر از از مقدار عرض صفحه تقسیم جریان جریان در سطح می­باشد. انحنادار بودن سطح تقسیم جریان باعث می­ شود در جریان منحرف شده به سمت آبگیر یک عدم تعادل بین گرادیان فشار جانبی، نیروی گریز از مرکز و نیروی برشی ایجاد شده که باعث تشکیل یک جریان ثانویه در جهت عقربه­های ساعت می­ شود. چنین جریانی در کنار دیواره کانال اصلی نیز شکل می­گیرد. با پیشروی به سوی پایین­دست به خاطر ویسکوزیته جریان قدرت این جریان ثانویه کاهش می­یابد. اندازه سطح تقسیم جریان در کانال اصلی میزان دبی انتقالی به کانال فرعی را تعیین می­ کند. عرض جریان انحرافی یا صفحه تقسیم جریان در هر سطح جریان، فاصله دیواره کانال اصلی طرف آبگیر تا خطوط جریان منتهی به نقطه ایستائی نزدیک به گوشه پایین دست تقاطع آبگیر و کانال اصلی تعریف می­ شود ]6[.
1-5-­ الگوی جریان در آبگیری از قوس
بارزترین تفاوت الگوی جریان در دهانه­ی آبگیر موقعیت خطوط تقسیم جریان در صفحات نزدیک بستر و سطح آب می­باشد. براساس نتایج آزمایشگاهی منتصری و همکاران ]7[ برخلاف آبگیری از مسیر مستقیم، عرض صفحه تقسیم جریان در سطح بیشتر از کف است که دلیل آن وجود جریان حلزونی در قوس می­باشد همان­گونه که در شکل 1-6 مشخص شده است. نکته قابل توجهی که در شکل مشاهده می­ شود این است که عرض صفحه تقسیم جریان از کف به سمت سطح آب ابتدا افزایش یافته و دوباره نزدیک سطح کاهش می­یابد. دلیل این کاهش نیز تفاوت تنش برشی بین لایه ­های سیال و لایه سطحی با هواست. پیرستانی ]8[ و صفرزاده ]9[ نیز در مطالعات خود، افزایش عرض صفحه تقسیم جریان در سطح نسبت به کف را گزارش نموده ­اند اما به کاهش آن در لایه ­های سطحی اشاره نکرده ­اند.

 

 

شكل 1-6 الگوی جریان در یک انشعاب از مسیر قوسی]7[

1-6-­ ضرورت انجام تحقیق
همانگونه كه قبلا گفته شد، از دیرباز مساله­ی آبگیری از رودخانه‌ها مطرح بوده است و مهمترین مساله برای طراحان برداشت آب با حداقل رسوبات از رودخانه بوده است و آبگیری از قوس یکی از روش­های پیشنهاد شده می­باشد که نسبت به سایر روش­ها هزینه­ کمتر و پربازده­تر می­باشد. حال نکته مهم که مطرح می­ شود این است که کدام قسمت از یک قوس، محل مناسبتری برای آبگیری می باشد و آبگیری تحت چه زاویه­ای باشد که مناسب­ترین حالت را بوجود آورد؟ پر واضح است که جواب دادن به سئوال فوق راحت نبوده و شرایط و پارامترهای زیادی در تعیین محل و زاویه مناسب آبگیری در یک قوس رودخانه دخیل هستند. همچنین شناخت مکانیسم­های ورود رسوبات به آبگیر در طراحی بهتر ان سازه­ها بسیار ضروری است بالطبع قبل از اینکه مساله انتقال رسوب در چنین میدان پیچیده­ای مطرح شود، لازم است تا الگوی جریان در آن بطور کامل شناخته شود. و در ادامه به بررسی توپوگرافی بستر در کانال قوسی و مکانیسم ورود رسوبات به آبگیر بررسی می­ شود. همچنین مدل­های فیزیکی به دلیل پیچیدگی الگوی جریان و تاثیرات ناشی از مقیاس، به تنهایی قادر به ارائه درک روشنی از فیزیک حاکم بر مسئله نمی­باشند بنابراین استفاده از مدل­های عددی در کنار مطالعات صحرایی و آزمایشگاهی امری حتمی می­باشد.
در این پایان نامه با بهره گرفتن از مدل عددی SSIIM2 که توانایی فوق­العاده­ای در شبیه‌سازی الگوی رسوب دارد که کمتر مدل عددی دیگر فاقد این توانایی می­باشد. در ابتدا الگوی جریان در مدل شبیه­سازی و نتایج حاصل کالیبره و صحت­سنجی شود و در آخر به شبیه­سازی مکانیسم حرکت رسوب که مزیت اصلی این مدل عددی می­باشد پرداخت شده است.
1-7- اهداف
تحقیق انجام شده به منظور رسیدن به اهداف زیر انجام می­ شود:

 

• بررسی قابلیت مدل SSIIM2 در شبیه­سازی میدان جریان در کانال قوسی و الگوی جریان در اطراف دهانه آبگیر در کانال قوسی.

 

• تعیین بهترین موقعیت و زاویه آبگیر در کانال قوسی.

 

• مطالعه مکانیسم شکل­ گیری توپوگرافی بستر در کانال قوسی در حالت تزریق رسوب برروی بستر صلب و مکانیسم ورود رسوب به آبگیر.

 

• بررسی تاثیر دبی آبگیری بر مکانیسم ورود رسوبات به آبگیر

1-8- روش انجام تحقیق
مراحل انجام شبیه­سازی الگوی جریان و رسوب با بهره گرفتن از مدل عددی SSIIM به شرح زیر است:

 

• مش­بندی کانال قوسی 180 درجه، برای نیل به این منظور با نوشتن برنامه­ای در نرم­افزار Excel مختصات تک­تک گره­های میدان حل براساس هندسه موجود و در نظر گرفتن تعداد مش­های لازم در جهات مختلف و ریزشدگی مش­ها در نزدیک دیواره­ها را بدست ­آورده شود.

 

• انتقال مختصات گره­ها به مدل SSIIM1، مدل SSIIM1 شامل دو فایل کمکی به نام control و koordina می­باشد که در فایل control با نوشتن کدهای مورد نیاز شرایط مرزی، دانه­بندی رسوبات کف، ارتفاع آب و الگوریتم­های حل، برای نرم­افزار تعریف می­ شود و مختصات گره­ها در فایلkoordina داده می­ شود.

 

• انتقال شبکه ایجاد شده در SSIIM1 به SSIIM2.

 

• کالیبراسیون و صحت نتایج حاصل از مدل عددی با توجه به نتایج آزمایشگاهی.

 

• نتایج حاصل از مدل SSIIM2 را در نرم­افزار Tecplot رسم می­ شود و به تحلیل شبکه جریان و رسوب پرداخته شده است.

 

• ارائه رابطه ریاضی برای ابعاد صفحه تقسیم جریان