شبيه‌سازي نرم‌افزاري تأثير صفحات مستغرق بر چاله آب‌شستگي در محل تقاطع كانال‌ها

Software simulation of submerged vane effects on scour depth at channel confluence

سابقه و هدف: پديده تقاطع كانال‌ها و رودخانه‌ها ازجمله مسائلي است كه در كانال‌هاي آبياري و زهكشي، كانال‌هاي جمع‌آوري آب‌هاي سطحي، تصفيه‌خانه‌هاي آب و فاضلاب و رودخانه‌هاي طبيعي رخ مي‌دهد. هدف از اين پژوهش، بررسي تأثير صفحات مستغرق نصب‌شده در كانال فرعي بر كنترل و كاهش عمق چاله‌ي آب ‌شستگي در اتصال 90 درجه كانال‌ها و ارائه بهترين موقعيت و آرايش صفحات مستغرق با استفاده از شبيه‌سازي نرم‌افزاري است. مواد و روش‌ها: در اين پژوهش از نرم‌افزار شبيه‌سازي جريان Flow-3D به‌منظور مدل‌سازي حالات مختلف قرارگيري صفحات مستغرق در تلاقي كانال‌هاي 90 درجه استفاده‌شده است. براي صحت ‌سنجي نتايج از داده‌هاي آزمايش‌هاي انجام‌شده در آزمايشگاه گروه مهندسي عمران دانشگاه صنعتي شريف استفاده‌شده است. مدل آزمايشگاهي مذكور از يك كانال اصلي به طول 12 متر و عرض 40 سانتيمتر و يك كانال فرعي به طول 3 متر و هم‌عرض با كانال اصلي تشكيل‌شده است. كانال فرعي در فاصله 6/35 متري از ابتداي كانال اصلي و با زاويه 90 درجه نسبت به آن نصب‌شده است. معادلات حاكم در شبيه‌سازي نيز معادلات ناوير استوكس و پيوستگي جريان‌هاي تراكم ناپذير بودند. جهت مدل كردن آشفتگي نيز از مدل دو معادله‌اي k-w استفاده شد. يافته‌ها: نتايج اين مطالعه نشان داد كه شبيه‌سازي نرم‌افزاري مي‌تواند الگوي آب شستگي در محل تلاقي را به‌خوبي برآورد ‌نمايد. بطوريكه اختلاف حداكثر عمق آب ‌شستگي در محل تلاقي بين مدل عددي و آزمايشگاهي 1/4 درصد بود. همچنين مدل‌سازي‌هايي با زوايا، ابعاد و فواصل مختلف از صفحات مستغرق جهت تعيين بهترين موقعيت صفحات مستغرق براي كاهش عمق آب ‌شستگي در محل تلاقي دو كانال با زاويه 90 درجه انجام گرفت. نتايج اين مدل‌سازي‌ها نشان داد كه چنانچه زاويه‌ي قرار‌گيري صفحات مستغرق نسبت به راستاي جريان كانال فرعي برابر 60 درجه، نسبت طول صفحات به عرض كانال برابر 0/25، فاصله طولي صفحات از يكديگر نصف عرض كانال فرعي، فاصله عرضي صفحات از يكديگر 0/375 عرض كانال فرعي و فاصله نصب صفحات از محل تلاقي دو كانال بين 0/25 تا 0/375 عرض كانال فرعي باشد؛ صفحات مستغرق به‌ طور مؤثري حداكثر عمق چاله آب ‌شستگي ايجادشده در محل اتصال دو كانال با زاويه 90 درجه را كاهش مي‌دهند. نتيجه‌گيري: نتيجه نهايي حاصل از اين پژوهش نشان مي‌دهد كه چنانچه صفحات مستغرق در موقعيت مناسب و با ابعاد بهينه در كانال فرعي نصب شوند مي‌توانند عمق چاله آب‌شستگي در محل تقاطع را كاهش دهند. بطوريكه در اين پژوهش حداكثر عمق آب ‌شستگي با نصب صفحات مستغرق در كانال فرعي 21 درصد نسبت به حالت بدون صفحات كاهش يافت.

Background and objectives: The Channels and rivers confluence phenomenon is the issue which happens in the irrigation and drainage channels, superficial water accumulative channels, water and waste water refinery and rivers. The aim of this research is to investigate the effect of several installed submerged vanes in tributary channel on controlling and decreasing the erosion at 90 degrees confluence of channels, detecting the best situation and vanes orders by using the simulation software. Materials and Methods: In this research, Flow-3D flow simulation software was used to model the various states of submerged vanes at 90-degree channels confluence. In order to verify the results, the data from the experiments carried out in the laboratory of the civil engineering department of Sharif University of Technology have been used. The experimental model consists of a main channel with a length of 12 meters and a width of 40 cm and a tributary channel of 3 meters in length, the width of the tributary channel is equal to the main channel. The tributary channel is located 6.35 meters from the beginning of the main channel and is connected to the main channel at a 90-degree angle. The using equations were Navier-Stokes and continuity equations for modeling incompressible flows. For modeling Turbulence, the k-w equation model was used. Results: The results of this study showed that software simulation can estimate the scour pattern very well. So the difference between the maximum depth of scour of numerical and laboratory models in confluence was 1.4%. Also few modeling were done with angles, dimensions and different locations of vanes to calculate the best conditions of vanes to decrease the depth of scour in channels confluence. The results show that it is possible to decrease the scour hole dimensions, considering that submerged vanes are installed in the 60 degree (in respect to longitudinal axis of channel), the ratio of the length of the submerged vanes to the channel width is equal to 0.25, the longitudinal spacing of the submerged vanes is half the width of the channel, the spacing of the submerged vanes from each other is 0.375 of the channel width and the distance between the installation of the submerged vanes from the intersection of 0.25 to 0.375 is the width of the channel; submerged vanes effectively reduce the maximum depth of scour hole at the junction of two channels with a 90 degree angle. Conclusion: The final result of this study shows that if submerged vanes are installed in an appropriate position with optimal dimension in the tributary channel, they can reduce the maximum depth of the scour hole at channel confluences. In this study, the maximum scour depth was reduced by 21% submerged vanes compared to non submerged vanes.