مدل سه بعدي كانال‌هاي انتقال آب مركب با بستر صلب و آبرفتي براي تعيين توزيع سرعت و رابطه دبي- اشل

Three-Dimensional Model of Compound Channel With Rigid and Alluvial Bed for Determination of Velocity Distribution and Discharge-Stage Relationship

تاكنون تحقيقات زيادي براي تعيين توزيع عرضي سرعت جريان و نيز محاسبه دبي در مقاطع مركب در حالت بستر صلب انجام شده است. اين در حالي است كه مقاطع مركب رودخانه ­اي داراي بستر آبرفتي بوده و از نظر هيدروليكي تفاوت زيادي با كانال ­هاي مركب با بستر صلب دارند. در حالت بستر رسوبي به دليل اثر متقابل جريان و رسوبات كف ، فرم بستر به شكل موج­دار در مي ­آيد و باعث تغيير ضريب زبري آبراهه مي­شود. همچنين الگوي جريان در مقاطع مركب سه­ بعدي بوده و بهتر است از مدل­هاي رياضي سه ­بعدي براي حل مسايل هيدروليكي اين مقاطع استفاده شود. در اين تحقيق، با استفاده از نرم­ افزار FLOW-3D، تغييرات دوبعدي و سه ­بعدي سرعت جريان در مقاطع مركب مستقيم با بستر صلب و آبرفتي شبيه­ سازي شده و با داده­ هاي آزمايشگاهي از موسسه تحقيقات والينگفورد4 مقايسه شده است. براي اين منظور از داده ­هاي توزيع عرضي سرعت و روابط دبي - اشل دو كانال بزرگ مقياس ذوزنقه­ اي شامل FCF-A با بستر بتني و FCF-C با بستر ماسه­ اي استفاده شد. نتايج نشان داد كه منحني­ هاي هم سرعت و نيز توزيع عرضي سرعت جريان به دست آمده از نرم­ افزار FLOW-3D مطابقت مناسبي با داده­هاي آزمايشگاهي در هر دو بخش مقطع اصلي و دشت­ هاي سيلابي دارند. همچنين نتايج اين مقايسه ­ها نشان داد كه مقادير دبي كل جريان به دست آمده از نرم ­افزار FLOW-3D مطابقت بسيار خوبي با داده ­هاي آزمايشگاهي دارد به طوري­كه حداكثر و ميانگين خطاي نسبي اين نتايج براي كانال با بستر صلب به ترتيب 5/5 و 2/7 درصد و براي كانال با بستر آبرفتي به ترتيب 6 و 3/8 درصد بدست آمد. در نهايت نتايج به­ دست آمده از نرم ­افزار FLOW-3D با نتايج روش يك ­بعدي تجزيه قايم مقطع مركب، روش مقطع واحد، نرم­ افزار HEC-RAS، روش كوهرنس5، روش تقسيم مقطع وزني، مدل تبادل دبي و نيز نتايج مدل رياضي مقايسه شدند. اين مقايسه كارايي و عملكرد مناسب­تر نرم ­افزار FLOW-3D در شبيه­ سازي هيدروليكي جريان در مقاطع مركب با بستر صلب و آبرفتي را تاييد نمود.

There are numerous investigations, which carried out regarding solution of lateral distribution of flow velocity and flow discharge computation in compound channels. Most of these researches have been in the case of rigid beds. However, compound river channels have alluvial beds and hydraulically have many differences with the experimental channel with rigid beds. In the case of alluvial bed channels due to the interaction effect of flow and bed sediments in main channel, bed forms as dunes develop and change the riverbed roughness coefficient. Furthermore, the flow pattern in compound channels is essentially three-dimensional and hence it is better to use 3-D mathematical models for solution of their hydraulic problems. In this study using mathematical model of FLOW-3D, two and three-dimensional variations of flow velocity in straight compound channels with rigid and alluvial beds have been simulated and compared with the experimental data of Wallingford Hydraulic Research. The lateral distribution of velocities and stage-discharge curves from two large-scale trapezoidal chanals including FCF-A with rigid bed and FCF-C with alluvial bed were used in this study. The results showed that flow velocity contours and the lateral distribution of velocity obtained by FLOW-3D model have suitable agreement with the experimental data in both cases of main channel and floodplains. The results of these comparisons also showed that the flow rates of the FLOW-3D model are in great agreement with laboratory data, so that the maximum and average of the relative errors of these results for the channel with rigid bed were 5 and 2.7% and for channels with alluvial bed it was 6% and 3.8%, respectively. Finally, the results obtained from the FLOW-3D model with the results of a one-dimensional DCM, SCM, HEC-RAS,COH, WDCM, EDM and the results of the SSIIM model. This comparison highlighted the superior ability of the FLOW-3D model in flow hydraulic simulation of compound channels with rigid and alluvial beds.