بررسي اعتبار روش ميانگين‌گيري دوگانه سرعت براي كاربرد قانون ديوار بر روي شكل بستر مقعر

Validation of Spatially Averaging Method for Using the Law of the Wall over Concave Bed Form (pool)

يكي از مهمترين مباحث در مهندسي رودخانه بررسي شكل هاي بستر رودخانه است. شكل بستر مقعر يكي از معمول‌ترين اشكال بستر است كه در گستره وسيعي از رودخانه هاي شني و قلوه‌سنگي مشاهده مي شود. وجود گراديان‌هاي مطلوب و نامطلوب ناشي از تغييرات شكل بستر و غيريكنواختي جريان بر روي آن نقش قابل توجهي بر توزيع زماني و مكاني سرعت و سرعت برشي در تعيين ضريب زبري و انتقال رسوب در رودخانه‌ها و كانال‌هاي با بستر شني ايفا مي‌كند. اين مقاله روش ميانگين گيري دوگانه را براي معرفي سرعت جريان و برآورد سرعت برشي بر روي اشكال بستر مقعر مورد استفاده قرار مي‌دهد. با توجه به عدم سابقه استفاده از اين روش در ايران، اين روش در اين مقاله معرفي شده و اعتبار آن با استفاده از كاربرد روش‌هاي قانون ديوار و روش مشخصات لايه مرزي مورد بررسي قرار مي‌گيرد. كاهش سرعت برشي در جريان با گراديان فشار مطلوب در بخش انتهايي شكل بستر و افزايش آن در بخش ورودي شكل بستر در جهت جريان نشان مي‌دهد كه برآورد پارامترهاي هيدروليكي نظير ضريب زبري وانتقال رسوب نمي‌تواند مبتني بر يك پروفيل موضعي قرار گيرد. بنابراين ضروري است با بكارگيري ميانگين‌گيري‌هاي زماني و مكاني در امتداد شكل بستر برآورد بهتري از اين پارامترها بدست آورد. نتايج نشان مي‌دهد كه روش ميانگين گيري دوگانه از روند نيمرخ‌هاي موضعي سرعت جريان در نواحي داخلي و خارجي لايه مرزي پيروي مي‌كند و قانون لگاريتمي مي‌تواند براي زواياي مختلف تاج بستر 5، 10، 15 و 20 درجه بكار برده شود. در ناحيه خارجي لايه مرزي انحراف داده‌ها از قانون لگاريتمي براي زواياي مختلف تاج وجود داشته، هر چند ضخامت ناحيه داخلي با افزايش زاويه تاج كاهش مي‌يابد. همچنين كاربرد روش مشخصات لايه مرزي براي تعيين سرعت برشي نيمرخ ميانگين دوگانه نشان مي‌دهد كه با افزايش زاويه تاج شكل بستر، سرعت برشي نيز افزايش مي‌يابد.

Investigation of bedform development is one of important challenges in river engineering. Pools are one of existing bed forms in gravel and cobble bed rivers. Variations in pressure gradients due to bedform development and the flow non-uniformity over it play the major role on the spatially and temporal distribution of velocity and estimation of shear velocity for determining roughness coefficient and sediment transport in gravel-bed rivers. This paper introduces one of the applications of the double averaged velocity method to estimate shear velocity over the pools with different crest slopes. This method uses the law of the wall (the log law) and the boundary layer characteristics methods to evaluate shear velocity and von Karman constant. Reduction of shear velocity at the exit slope of pool due to the favorable pressure gradient and its augmentation at the pool entry indicate that the estimation of hydraulic parameters such as roughness coefficient and sediment transport cannot be described using a local velocity profile. Therefore, it is necessary to apply spatial and temporal averaged velocities (the double averaged method) over the bedform for estimating hydraulic parameters precisely. Results show that the double-averaged velocity distribution follow the trend of the local velocity distributions in the inner and the outer regions of the boundary layer along the pool as well as the application of log law for various crest slopes 5, 10, 15 and 20 degree. The velocity data deviate from the log law in the outer region of the boundary layer. However, the larger the crest slopes, the thinner the inner region. Also, application of the boundary layer characteristics method for estimating shear velocity using the double averaged velocity profile reveals that the larger the crest slope, the higher the shear velocity. For the crest slopes of 15 and 20 degree, considerable increase in the universal constant of von Karman (0.4) is observed.