مطالعه پروفيل متوسط دوگانه سرعت طولي در كانال روباز با زبري نسبي متوسط

Characterization of double-averaged velocity profile in an open-channel with intermediate relative roughness

جريان با زبري نسبي متوسط (نسبت ارتفاع زبري به عمق جريان بزرگتر از 1/80 و كوچكتر از 1/5) در رودخانه هاي كوهستاني ديده مي شود. با وجود مطالعات فراوان ، شكل پروفيل سرعت طولي در عمق براي اين نوع جريان ناشناخته باقي مانده است. در مطالعه حاضر، سرعت لحظه اي جريان در يك كانال مستطيلي روباز با بستر زبر به روش سرعت سنجي تصويري ذرات اندازه گيري شد. به منظور تحليل نتايج از روش متوسط گيري دوگانه (متوسط گيري مقادير لحظه اي سرعت در زمان و در يك صفحه نازك موازي با بستر كانال) بهره برده شد. مشاهده شد كه در نزديكي بستر، بردارهاي سرعت به شدت در مكان تغيير مي نمايد، لذا نمي توان رفتار مشخصي را بدون متوسط گيري مكاني براي اين سرعت در نظر گرفت. همچنين بررسي ها نشان داد كه مقادير متوسط دوگانه سرعت نسبت به متوسط گيري زماني-مكاني يا مكاني-زماني حساس نبوده و مي توان بدون توجه به اولويت متوسط گيري زماني و يا مكاني مقادير متوسط دوگانه را حساب كرد. به منظور بررسي پروفيل سرعت جريان از سه رويكرد پروفيل لگاريتمي، پروفيل خطي و نيز معادله لايه اختلاطي بهره برده شد. بررسي ها نشان داد كه با وجود تطابق نسبي هر سه ديدگاه، پروفيل لگاريتمي، به جهت بهره گيري از يك پشتوانه تيوري مستحكم و تطبيق مناسب با نتايج آزمايشگاهي، مناسب-ترين ديدگاه براي اين نوع جريان مي باشد. البته در اين ديدگاه ثابت ون-كارمن و ثابت انتگرال گيري معادله لگاريتمي با زبري نسبي تغيير مي-نمايند. براين اساس توصيه مي گردد در مطالعات آتي از اين رويكرد جهت تحليل و مطالعه جريان با زبري نسبي متوسط بهره برده شود.

Flow with intermediate relative roughness (the ratio of roughness height to water depth higher than 1/80 and lower than 1/40) is common in most of mountainous streams. Despite this fact and numerous studies on flow with intermediate relative roughness, it is still unclear that how profile of the streamwise velocity varies along water depth. In this study, instantaneous velocity of flow in an open-channel with rough bed has been measured using Particle Image Velocimetry (PIV). In order to analyze profile of streamwise velocity, double averaging method (spatial averaging of time-averaged values in a thin slab parallel to the channel bed) is used. It was observed that near the rough bed, vectors of instantaneous velocity showed strong spatial variations that makes extraction of unique behavior for velocity profile impossible without double averaging. Results also showed that values of double averaged velocity is not sensitive to priority in averaging (i.e. time and then spatial averaging or spatial and then time averaging); thus double averaging regardless of priority can be used. To investigate double averaged velocity profile, three approaches including logarithmic profile with variable parameter, linear profile and mixing layer profile were employed. Results showed that all three profiles could be fitted properly to our experimental data. However, logarithmic profile with variable Von-Karman constant and integration constant which is supported by strong scientific background is the most suitable profile and is therefore recommended.