بررسي عددي اثر استغراق نسبي بر پارامترهاي معادله لگاريتمي سرعت در يك كانال مستقيم با بستر شني

Numerical Investigation of the Relative Submergence Effects on the Logarithmic Velocity Profiles in a Straight Channel with Gravel Bed

پس از گذشت سال ها همچنان بررسي ميدان جريان آشفته در بسترهاي زبر يكي از مسايل مهم و قابل‌بحث است. در گذشته پژوهشگران عمدتا بر جريان بستر زبر با استغراق نسبي زياد و متوسط (نسبت عمق جريان به زبري معادل بستر) پرداخته اند، وليكن در ارتباط با استغراق نسبي كم، پژوهش هاي زيادي صورت نگرفته است. در اين پژوهش، به بررسي و مطالعه جريان بستر شني در شرايط استغراق نسبي كم به صورت عددي و در نرم‌افزار فلوتري دي پرداخته شده است. به اين منظور، ابتدا مدل عددي ساخته شده به كمك اطلاعات آزمايشگاهي موجود، مورد صحت سنجي و كاليبراسيون قرار گرفت. در طي مدل سازي ها، شش استغراق نسبي متفاوت مورد بررسي و تحليل قرار گرفت و پارامترهاي معادله لگاريتمي سرعت شامل ضريب وان كارمن، ثابت انتگرالي و صفحه ي جابجايي صفر تعيين گرديد. نتايج نشان داد كه در شرايط بستر صاف ضريب وان كارمن برابر 0/41 درنظر گرفته مي شود، وليكن در شرايطي كه بستر زبر بوده و شرايط استغراق نسبي كم حاكم است، اين مقدار تغيير كرده و با تغيير استغراق نسبي نيز تغيير پيدا مي كند. محدوده اين تغييرات بين 0/29 تا 0/43 مي باشد. در ادامه مشاهده شد كه با افزايش عمق ابتدا ضريب وان كارمن كاهش و در ادامه افزايش پيدا كرده است. همچنين صفحه ي جابجايي صفر به هيچ وجه رابطه ي منسجم و مشخصي در ارتباط با استغراق نسبي نداشته و نمي توان به قطعيت در رابطه با آن اظهار نظر نمود. در پايان به كمك نتايج به‌دست‌آمده از مدل سازي عددي حاضر و مطالعات پيشين براي استغراق نسبي و ضريب وان كارمن، يك تابع دو ضابطه اي ارايه شده است.

The study of turbulent flow field passing over the rough beds is still one of the important and controversial issues after a few years. In the past, most researchers have focused on flow with a high and medium relative submergence (the ratio of water depth to aggregate size), but only a few studies have been done on the low relative submergence flows. In this study, the gravel bed open-channel flow in a straight channel has been numerically modeled and studied using the Flow-3D package. The numerical model has been calibrated and verified using available data in the literature. During simulation, six different relative submergences were analyzed and the coefficients of Von Karman, integral constant and zero displacement planes determined. Results showed that in flat-bed conditions, the Von Karman coefficient is 0.41, but in the case of rough bed and relatively low submergence conditions, this value changes with relative submergence. These changes ranged from 0.29 to 0.43. It was also observed that with increasing depth, the Von Karman coefficient initially decreased and increased consecutively. Also, the zero displacement plane has no coherent relationship with relative submergence at all and it cannot be commented definitively. At the end, a new experimental formulation for the Von-Karman coefficient has been presented as a two-function equation with relative submergence boundary.