شبيه‌سازي عددي سه بعدي جريان ناشي از شكست ناگهاني سد بر روي بستر متخلخل

Numerical Simulation of Three-Dimensional Flow of Sudden Dam-Break over the Porous Bed

پديده شكست سد به دليل خسارت جبران ناپذير اقتصادي، امنيتي، تلفات انساني و زيست محيطي بسيار حائز اهميت مي‌­باشد. در اين مطالعه، جريان سه بعدي ناشي از پديده شكست سد بر روي بستر متخلخل مدل‌سازي عددي شده و تأثير نفوذپذيري بستر متخلخل، عمق بستر متخلخل و عمق آب در بستر متخلخل در پايين ­دست، بر روي حركت موج مثبت بررسي شده ­است. در اين تحقيق، ابتدا سه مدل كلاسيك از شكست سد بر روي بستر صلب و متخلخل ساخته شده و نتايج با داده‌هاي آزمايشگاهي موجود مقايسه شده است. در ادامه، صحت‌­سنجي نتايج به صورت مقايسه پروفيل‌هاي سطح آب و لبه موج سيلاب پيش­‌بيني شده با مدل شكست سد روي بستر صلب و متخلخل انجام شده است. هدف اصلي، بررسي تفاوت­‌ها و تشابه­‌هاي پديده شكست سد در بسترهاي صلب و متخلخل مي­‌باشد. نتايج حاصل نشان داد، به دليل تاثير موج ديناميكي در لحظات اوليه شكست سد، يك پيك موضعي در آب‌نگاشت سيلاب رخ مي‌­دهد. وجود بستر متخلخل باعث كاهش شتاب حركت موج سيلاب نسبت به حالت جريان روي بستر صلب شده و با افزايش ميزان نفوذپذيري بستر، سرعت و در نتيجه ميزان پيش‌روي موج سيلاب، كاهش مي­‌يابد. با افزايش عمق بستر متخلخل، ميزان پيش‌روي لبه موج، دبي جريان سيلابي و ارتفاع سطح آزاد جريان كاهش يافته مي­‌يابد. با پيش‌روي جريان در طول كانال مقادير دبي پيك ثبت شده در ايستگاه‌ها كاهش يافته و در مدل‌هاي بستر خشك كاهش دبي پيك در راستاي كانال بيشتر است. بيش‌ترين مقادير بيشينه دبي در انتهاي كانال با بستر متخلخل، در حالت بستر متخلخل اشباع رخ داده است.

Dam break is a very important problem due to its effects on the economy, security, human casualties and environmental consequences. In this study, 3D flow due to dam break over the porous substrate is numerically simulated and the effect of porosity, permeability and thickness of the porous bed and the water depth in the porous substrate are investigated. Classic models of dam break over a rigid bed and water infiltration through porous media were studied and results of the numerical simulations are compared with existing laboratory data. Validation of the results is performed by comparing the water surface profiles and wave front position with dam break on the rigid and porous bed. Results showed that, due to the effect of dynamic wave in the initial stage of dam break, a local peak occurs in the flood hydrograph. The presence of porous bed reduces the acceleration of the flood wave relative to the flow over the solid bed and it decreases with the increase of the permeability of the bed. By increasing the permeability of the bed, the slope of the ascending limb of the flood hydrograph and the peak discharge drops. Furthermore, if the depth and permeability of the bed are such that the intrusive flow reaches the rigid substrate under the porous bed, saturation of the porous bed, results in a sharp increase in the slope of the flood hydrograph. The maximum values of the peak discharge at the end of the channel with porous bed occurred in saturated porous bed conditions.