بررسي تاثير شرايط هيدروليكي جريان بر شكل‌گيري الگوي جريان ثانويه در پيچان‌رودهاي تند با استفاده از مدل رياضي SSIIM

Study effect of flow hydraulic conditions on the secondary flow pattern in bend meanders using SSIIM mathematical model

سابقه و هدف: رودخانه‌هاي طبيعي يكي از اصلي‌ترين منابع فراهم‌كننده آب و انرژي براي انسان به‌‌شمار مي‌روند. طراحي و مديريت سيستم هاي بهره برداري از رودخانه نياز به فهم كاملي از مكانيك جريان و انتقال رسوب دارد. پيچان‌رودها يكي از رايج‌ترين انواع رودخانه‌ها در طبيعت هستند كه جريان بسيار پيچيده در آن برقرار است. خاصيت سه‌بعدي و پيچيده جريان در پيچان‌رودها لزوم بررسي الگوي جريان دراين مجاري را با مدل‌هاي عددي سه‌بعدي مطرح مي‌سازد. هدف از اين پژوهش بررسي الگوي جريان و پيش‌بيني محل فرسايش و رسوبگذاري در پيچان‌رودها و همچنين مطالعه تاثير پارامترهاي عدد فرود (Fr) و نسبت عرض به عمق (B/h) بر ميدان جريان مي‌باشد. مواد و روش‌ها: در مطالعه حاضر، با استفاده از مدل رياضي سه‌بعدي SSIIM1.1 به مطالعه الگوي جريان آشفته در كانالي با مولد سينوسي و زاويه 50 درجه با مقطع مستطيلي به عرض B=40 cm و بستر صلب پرداخته شده است. جهت حل دستگاه معادلات از مدل‌هاي آشفتگي دو معادله‌اي و استفاده شد و خصوصيات جريان مانند الگوي جريان اوليه و ثانويه مورد مطالعه قرار گرفت. جهت واسنجي و صحت‌سنجي نتايج عددي نيز از نتايج آزمايشگاهي تيپ و داسيلوا استفاده شده است. يافته‌ها: با تغيير عدد فرود از 15/0 به 41/0، در الگوي جريان ثانويه و نحوه توزيع سرعت تغييري رخ نداد اما عمق آبشستگي در نزديكي ساحل داخلي افزايش يافت. همچنين با كاهش نسبت B/h از 5/12 به 4 تعداد گردابه‌هاي موجود در مقطع از 2 عدد به 3 عدد افزايش يافت و مشخص شد در رودخانه‌هاي عريض قدرت جريان ثانويه به مقدار قابل‌توجهي كاهش مي‌يابد اما همچنان روند نزولي و صعودي بودن آن مشابه رودخانه‌هاي عميق مي‌باشد. نتيجه‌گيري: مقايسه نتايج به‌دست آمده از مدل‌هاي عددي با نتايج آزمايشگاهي نشان داد كه الگوي جريان به‌وسيله هردو مدل آشفتگي به خوبي پيش‌بيني شده اما مدل در بعضي موارد نتايج نزديك‌تري به نتايج آزمايشگاهي ارايه داده است. نتايج نشان مي‌دهد الگوي تنش برشي به تغييرات عدد فرود وابسته است اما الگوي جريان ثانويه با تغيير عدد فرود تغيير چنداني نمي‌‌كند. همچنين تغييرات نسبت عرض به عمق (B/h) بر روي الگوي جريان ثانويه و الگوي تنش برشي تاثير مي‌گذارد به‌طوري‌كه براي B/h < 8 سلول چرخشي كوچكي علاوه بر سلول چرخشي اصلي در نزديكي ساحل خارجي به وجود مي‌آيد.

Background and Objectives: Natural rivers are one of the main sources of water and energy. Design and management of natural rivers need a complete understanding of mechanics of flow pattern and sediment transport. The complex three-dimensional flow characteristics in river bends necessitates the use of a three-dimensional numerical model. The purpose of this study is to predict the flow pattern and location of erosion and deposition in Sine-Generated channels, Also, the effect of Froude number and the ratio of width to depth on flow and bed shear stress was considered. Materials and Methods: The numerical model used in the present study is called SSIIM, an acronym for sediment simulation in intakes with multi block option. In this study the flow pattern and location of erosion and depositional in Sine-Generated channel having with rigid bed was predicted. The and models were used to predict the turbulence in this simulation. For verification of the results of the numerical model the experimental data (da Silva and Tape) was used. Results: By changing the Froude number from 0.15 to 0.41, flow pattern and velocity distribution did not change but increased erosion. Also by decreasing width to depth ratio from 12.5 to 4, the number of rotary cells in section increased from 2 to 3 and it was found in wider rivers, power of secondary flow decrease but the downward upward trend was the same as deep rivers. Conclusion: The result of simulation shows that model has better accordance with experimental data than model. Distribution of bed shear stress depends on Froude number although secondary flow is independent. Furthermore, distribution of bed shear stress and secondary flow is dependent on the width to depth ratio, so that for b/h < 8, another rotary cell occurs near the outer bank.