مطالعه عددي اثر موانع دشت سيلابي بر جريان ناشي از شكست سد به روش MPS

Numerical Study of the Effect of Floodplain Obstacles on the Flow Induced by Dam Break using MPS method

سابقه و هدف: سيلابدشت ها سرزمين هايي نسبتا هموار در مجاورت رودخانه ها با كاربري مسكوني، صنعتي يا كشاورزي مي باشند. شكست ناگهاني سدهاي بزرگ، موجب شكل گيري و پيشروي امواج مخرب سيلاب در پائين دست مي گردد. پيشروي سيل روي دشت هاي سيلابي تحت اثر تغييرات توپوگرافي و موانع درون جريان نظير پل ها صورت مي گيرد. اين امواج، در بازه كوچكي از رودخانه و روي دشت سيلابي به ترتيب به صورت يك و دو بعدي انتشار مي يابند. در شبيه سازي هاي هيدروديناميكي، خصوصيات دو بعدي جريان ناشي از شكست سد روي دشت سيلابي، به ندرت مورد بررسي قرار گرفته است. بنابراين، اثر تلفيقي موانع دشت سيلابي، تنگ شدگي و موانع بستر بر خصوصيات جريان ناشي از شكست سد تعيين مي گردد. مواد و روش‌ها: در اين پژوهش، از روش لاگرانژي ذرات متحرك نيمه ضمني (MPS) براي مطالعه عددي خصوصيات جريان ناشي از شكست سد روي دشت سيلابي استفاده شد. از جمله مزاياي اين روش، تراكم ناپذيري، ذره محوري، بهره گيري از مدل هاي توانمند گراديان و لاپلاسين در تصحيحات سرعت - فشار بدون نياز به توابع هموارسازي پيچيده مي باشد. بدين ترتيب، اثر رقوم اوليه آب در مخزن، شكل موانع، تبديل هاي جانبي و نيز موانع كف بر پارامترهاي هيدروليكي، در 15 حالت گوناگون مورد مطالعه قرارگرفت. موانع دشت سيلابي به شكل هاي استوانه، مكعب، لوزي و نامتقارن و موانع بستر به شكل مكعبي مي باشند. ابتدا، تحليل حساسيت نتايج عددي نسبت به سه قطر ذره 01/0، 015/0 و 02/0 متر صورت گرفت. در نهايت، قطر ذره 015/0 متر به عنوان اندازه ذرات آب در مدل در نظر گرفته شد. شبيه سازي ها با بيش از 280000 ذره كروي و با دقت مرتبه دوم مكاني و زماني صورت گرفت. يافته‌ها: دقت نتايج عددي با بهره گيري از خطاي نرمال NRMSE و مقايسه با نتايج آزمايشگاهي پيشين تعيين گرديد. نتايج نشان داد كه تخليه مخزن در حل هاي عددي سريعتر از نتايج آزمايشگاهي رخ مي دهد. بنابراين، مدل MPS مقادير ارتفاع نيمرخ سطح آزاد و سرعت پيشروي جريان را به ترتيب كم و بيش برآورد مي نمايد. برخورد جريان به موانع دشت سيلابي، موجب بالاروي و شكل گيري جريان سه بعدي در محل استقرار موانع، تبديل هاي جانبي و موانع كف مي گردد. همچنين، شكل موانع عاملي مؤثر بر تغيير شكل هاي نيمرخ سطح آزاد، مؤلفه افقي سرعت سطحي و نيروهاي مقاومت پسآي وارد بر جريان مي باشد. نتيجه گيري: مقادير خطاي نرمال نشان داد كه دقت روش MPS در محاسبه تغيير شكل هاي نيمرخ طولي سطح آزاد بين 88 تا 91 درصد متغير مي باشد.