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

در پژوهش حاضر يك مدل عددي سه بعدي براي شبيه سازي حركت دانه هاي رسوب بر مبناي رويكرد اويلري-لاگرانژي توسعه داده شده است. نيروهايي كه بر دانه هاي رسوب وارد مي گردند شامل درگ، ليفت برشي، ليفت چرخشي (مگنوس)، شناوري، جرم اضافه شده، تاريخي بست و همچنين گشتاور چرخشي هستند. معادلات ديفرانسيل مومنتم غيرخطي مرتبه دوم براي محاسبه سرعت هاي خطي و زاويه اي و همچنين موقعيت دانه هاي رسوب استفاده شده اند. علاوه بر اينكه نوسانات جريان آشفته در سه جهت در مدل گنجانده شده است، قابليت شبيه سازي حركت دانه هاي رسوب به صورت پرش هاي متوالي از طريق يك مدل برخورد رسوبات در نظر گرفته شده است. اين دو عامل منجر به ماهيت كاملاً تصادفي مدل مي شوند. صحت سنجي مدل توسعه داده از طريق بررسي اثر حداقل تعداد پرش لازم براي استقلال آماري نتايج و همچنين مقدار گام زماني انجام شده است. اعتبار سنجي مدل با مقايسه داده هاي معتبر آزمايشگاهي با نتايج مدل براي محدوده ي ماسه ريز تا شن درشت در ارتباط با پارامترهاي مختلف انتقال رسوب شامل طول پرش، ارتفاع پرش و سرعت متوسط پرش انجام شده است. به منظور بررسي صلاحيت مدل مفهومي اثر حذف برخي از نيروها و نوسانات جريان آشفته كه در مطالعات پيشين بر روي استفاده از آن ها اتفاق نظري نبوده، مطالعه شده است. نتايج حاكي از آن است كه مدل توسعه داده شده قابليت آن را دارد كه به عنوان يك آزمايشگاه عددي براي بررسي عوامل مختلف موثر بر انتقال رسوب در مرحله پيش بيني مورد استفاده قرار گيرد. اين موضوع در بخش دوم اين سري 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.