انتقال بار بستر تحت رژيم پرش رسوبات در جريان آشفته بخش اول: توسعه مدل

Sediment Transport under Saltation Regime in Turbulent Flow Part A: Development of the Model

در پژوهش حاضر یك مدل عددی سه ­بعدی برای شبیه‌سازی حركت دانه­های رسوب بر مبنای رویكرد اویلری-لاگرانژی توسعه داده‌ شده است. نیروهایی كه بر دانه ­های رسوب وارد می­گردند شامل درگ، لیفت برشی، لیفت چرخشی (مگنوس)، شناوری، جرم اضافه‌ شده، تاریخی بست و همچنین گشتاور چرخشی هستند. معادلات دیفرانسیل مومنتم غیرخطی مرتبه دوم برای محاسبه سرعت­های خطی و زاویه­ای و همچنین موقعیت دانه ­های رسوب استفاده ‌شده‌اند. علاوه بر اینكه نوسانات جریان آشفته در سه جهت در مدل گنجانده‌ شده است، قابلیت شبیه‌سازی حركت دانه­ های رسوب به‌صورت پرش‌های متوالی از طریق یك مدل برخورد رسوبات در نظر گرفته ‌شده است. این دو عامل منجر به ماهیت كاملاً تصادفی مدل می‌شوند. صحت­ سنجی مدل توسعه داده از طریق بررسی اثر حداقل تعداد پرش لازم برای استقلال آماری نتایج و همچنین مقدار گام زمانی انجام‌ شده است. اعتبار سنجی مدل با مقایسه داده­های معتبر آزمایشگاهی با نتایج مدل برای محدوده­ی ماسه ریز تا شن درشت در ارتباط با پارامترهای مختلف انتقال رسوب شامل طول پرش، ارتفاع پرش و سرعت متوسط پرش انجام‌ شده است. به‌منظور بررسی صلاحیت مدل مفهومی اثر حذف برخی از نیروها و نوسانات جریان آشفته كه در مطالعات پیشین بر روی استفاده از آن‌ها اتفاق‌ نظری نبوده، مطالعه شده است. نتایج حاكی از آن است كه مدل توسعه داده‌ شده قابلیت آن را دارد كه به‌عنوان یك آزمایشگاه عددی برای بررسی عوامل مختلف مؤثر بر انتقال رسوب در مرحله پیش­بینی مورد استفاده قرار گیرد. این موضوع در بخش دوم این سری مقالات مد نظر قرار گرفته است.

In the present research, a 3D numerical model of the sediment grain movement has been developed based on the Eulerian-Lagrangian perspective. The forces which act on sediment grains are non-linear drag force, the shear lift force, the rotational lift (Magnus) force, the buoyancy force, the added mass force, the Basset history force and torque. Second-order nonlinear ordinary differential equations have been used to calculate linear and angular velocity vectors and also the position of sediment grains. Two parts including turbulent fluctuations in 3D space and a stochastic bed-particle collision model have been considered in the modeling procedure. The verification of the developed model has been examined for two important issues including the minimum number of jumps for statistical convergence and the appropriate value of the time step. The validation of the model has been performed using reliable experimental data in terms of the saltation height, length and streamwise particle velocity for the ranges of fine sand to coarse gravel. To evaluate the qualification of the conceptual model, the effects of the elimination of some forces and turbulent fluctuations, where do not exist consensus on the use of these factors in the previous researches, have been studied. The results indicated that the developed model can be considered as a numerical lab to study different aspects of the sediment transport in the prediction step, which will be performed in the part B of this series.