شبيه سازي فرسايش و انتقال رسوب در محل تلاقي آبراهه ها با استفاده از روش حجم هاي محدود

Simulation of Scour and Deposition in Channel Confluences by Finite-Volume Method

در اين مقاله با استفاده از يك روش عددي، الگوهاي فرسايش و انتقال رسوب در محل تلاقي دو نهر مورد بررسي قرار گرفته-اند. براي اين منظور از روش حجم هاي محدود كه يك روش تفكيك سازي پذيرفته شده و كارا در حل معادلات حاكم بر جريان مي باشد، استفاده شده است. اثر تلاطم جريان با در نظر گرفتن يك شبيه گردابه-گرانروي در معادلات اندازه ي حركت ديده شده است. جفت كردن معادلات حركت جريان يعني معادلات پيوستگي و اندازه حركت در دو جهت و معادله ي پيوستگي رسوب به صورت كامل و همزمان انجام گرفته است. فرض شده كه جريان دو بعدي بوده و انتقال رسوب فقط به-وسيله ي بار كف صورت مي گيرد. براي اين منظور از رابطه ي انتقال رسوب گراس براي برآورد بار كف در معادله ي پيوستگي رسوب استفاده شده است. در اين مقاله براي به دست آوردن شار عددي در فصل مشترك بين سلول ها از روش تفكيك تفاضل شار همراه با حل مساله ي ريمان باكاربرد روش اصلاح شده ي هارتن- لكس- ون لير(HLLC) بهره گيري شده است. تقاطع مورد نظر داراي زاويه ي 90 درجه بوده كه نتايج حاصل از شبيه سازي عددي آن به منظور صحت سنجي شبيه با نتايج آزمايشگاهي موجود مقايسه شده اند كه دقت قابل قبولي را نشان مي دهند. الگوي فرسايش در نهر فرعي و ايجاد يك پشته ي رسوبي در نهر اصلي پايين دست به وسيله ي شبيه به درستي تشخيص داده مي شود. همچنين به منظور انجام يك مقايسه ي كمي، نتايج حاصل از حداكثر عمق فرسايش، حداكثر ارتفاع پشته ي رسوبي و حداكثر نفوذ چاله ي فرسايشي در نهر فرعي با نتايج مربوط به داده هاي آزمايشگاهي مقايسه گرديده اند.

In this paper, a numerical model has been presented to investigate the scour and deposition in channel confluences. Finite-volume method, which is an acceptable and effective approach, has been used to discretize the governing equations. The effect of turbulence has been considered in the model via an eddy-viscosity approach. The continuity and momentum equations and the sediment continuity equation have been coupled by a fully-coupled method. It is assumed that the flow is two-dimensional and only the bed load transport has been considered in the model. The sediment transport formula of Grass has been utilized to estimate the rate of bed load transport. To evaluate the numerical flux at the cell interface, the method of HLLC has been employed. A 90o channel confluence has been simulated by the model and the results have been compared with experimental data, which show satisfactory agreement. The model can successfully predict the scour hole, the formation of bar at mainstream channel after the confluence and the penetration of scour hole into the tributary channel. To accomplish a quantitative comparison, the maximum scour depth, maximum height of the bar and maximum penetration of scour hole into tributary channel, have been compared with those of experiments.