فهرست مطالب عنوان ......صفحه فصل اول: کلیات1-1- مقدمه.. 21-2- ضرورت انجام تحقیق.. 31-3- هدف تحقیق.. 41-4- مروری بر مطالب سایر فصلها.. 4فصل دوم: تئوری تحقیق و مروری بر تحقیقات پیشین2-1- مقدمه.. 72-2- جریان در مجاری روباز.. 72-2-1- انواع جریان82-2-2- توزیع تنش برشی و سرعت102-3- الگوی جریان در اطراف پایه پل:.. 132-4- مروری بر تحقیقات گذشته:.. 162-4-1- بررسی اثر غلظت رسوبات با استفاده از روش تکفازی162-4-2- بررسی روشهای دوفازی در شرایط گوناگون172-4-2-1- شرایط جریان اطراف پایه استوانهای در حضور چاله آبشستگی172-4-2-2- مطالعه جریان برروی شکل و چینش انواع پایه و شمع20 عنوان ......صفحه 2-4-2-3- مطالعه برروی جریان در بالادست و پایین دست پایه استوانهای252-5- ضعف مطالعات گذشته.. 28فصل سوم: مواد و روشها3-1- مقدمه.. 303-2- معادلات حاکم.. 313-2-1- سیستمهای مختصات313-2-2- روش VOF313-2-3- روش FAVOR323-2-4- رفتار سیال در نزدیکی دیوار333-2-5- معادله بقای جرم یا معادله پیوستگی353-2-6- معادلات اندازه حرکت353-2-7- معادله حجم جریان363-3- مدلهای حل تلاطم.. 363-3-1- مدل های صفر معادله ای373-3-2- مدلهای یک معادلهای373-3-3- مدل 383-3-4- مدل 393-3-5- مدل شبیهسازی گردابههای بزرگ (LES)403-4- ذرات نشانگر.. 41فصل چهارم: نتایج شبیهسازی عددی4-1- مقدمه.. 434-2- شبیهسازی بستر صاف.. 434-2-1- مشخصات مدل آزمایشگاهی434-2-2- شبیهسازی مدل تک پایه454-2-3- نتایج در حالت تک پایه514-2-3-1- مقایسه خطوط جریان در حالت تکپایه53عنوان .........صفحه 4-2-3-2- مقایسه نتایج سرعت در حالت تکپایه544-2-4- شبیهسازی مدل گروه پایه دوتایی584-2-5- نتایج در حالت گروه پایه دوتایی614-2-5-1- مقایسه نتایج سرعت در حالت گروه پایه624-2-5-2- مقایسه خطوط جریان در حالت گروه پایه684-3- شبیهسازی در حضور چاله آبشستگی.. 754-3-1- مشخصات مدل آزمایشگاهی754-3-2- شبیهسازی مدل764-3-3- نتایج در حالت گروه پایه دوتایی784-3-3-1- نتایج سرعت در حالت گروه پایه در حضور چاله آبشستگی784-3-3-2- بررسی حرکت ذرات نشانگر83فصل پنجم: نتیجهگیری5-1- نتیجهگیری.. 865-2- پیشنهادات.. 88فهرست منابع و مآخذچکیده به زبان انگلیسیفهرست جدولها عنوان و شماره .....................................................................................................صفحه جدول 4-1- جدول مشخصات آزمایشها در حالت تکپایه و گروه پایه دوتایی (عطاییآشتیانی و اصلانیکردکندی، 2013)44جدول 4-2- مشخصات شبکههای محاسباتی در حالت تک پایه48جدول 4-3- میانگین عمق جریان شبیهسازی شده و مقدار خطای شبیهسازی برای شبکه بندیهای مختلف52جدول 4-4- مشخصات شبکههای محاسباتی در حالت گروه پایه دوتایی60جدول 4-5- میانگین عمق جریان شبیهسازی شده و مقدار خطای شبیهسازی برای شبکه بندیهای مختلف61جدول 4-6- جدول مشخصات آزمایش (خواجهنوری، 1385)76جدول 4-7- مشخصات شبکههای محاسباتی در حالت گروه پایه دوتایی در حضور چاله آبشستگی77فهرست شکلها و تصویرها عنوان ...................................................................................................................صفحه شکل 1-1- مکانیسم آبشستگی پایه پل (هربیچ، 1984)2شکل 2-1- نیروی موثر در واحد حجم سیال (یالین، 1977)9شکل 2-2- نمای ساده شده از حرکت تلاطم (ماریان و موسته، 1993)11شکل 2-3- توزیع تنش برشی (یالین، 1977)13شکل2-4- ساختار جریان در اطراف پایه استوانهای (بریسرز و رادکیوی، 1991)14شکل 2-5- مکان هندسی حداکثر سرعت پایینرو در بالادست پایه15شکل 2-6- مقایسه سرعت محاسبه شده توسط FLOW-3D(a) و مشاهده شده (b) در فاصله 2 میلیمتر از کف برای شرایط تعادل آبشستگی توسط (ریچاردسون و پانچانگ، 1998)18شکل 2-7- مسیر حرکت ذرات در اطراف پایه استوانهای در حضور چاله آبشستگی (پازیوک و استیلگر، 2010)19شکل 2-8- مقایسه مقادیر اندازهگیری شده آزمایشگاهی و مقادیر شبیهسازی نسبت تنش برشی در نزدیکی بستر به تنش برشی میانگین (تیسنگ و همکاران، 2000)20شکل 2-9- مقایسه مقادیر اندازهگیری شده و شبیهسازی شده تنش برشی لایه مرزی توسط نرمافزار FLUENT (علی و کریم، 2002)21شکل 2-10- خطوط جریان در اطراف دو پایه استوانهای در صفحه مرکزی قائم (تصاویر بالا) و در صفحه x-y (تصاویر پایین) در دو حالت نتایج آزمایشگاهی و نتایج شبیهسازی (پالائو سالوادور و همکاران، 2008)23عنوان ...................................................................................................................صفحه شکل 2-11- مقایسه ابعاد آبشستگی در زمان 900 ثانیه (a) جریان یک سویه (b) جریان موجی (وسکوئز و والش، 2009)24شکل 2-12- تغییرات سرعت (a) نتایج آزمایشگاهی (b) نتایج شبیهسازی (نیلسون و همکاران، 2012)25شکل 2-13- مقایسه نتایج شبیهسازی عددی سرعت با نتایج آزمایشگاهی درفاصله25/2 برابرشعاعپايهدربالادستآن (کریمینیا و صالحی نیشابوری، 1390)26شکل 2-14- مقایسه نتایج شبیهسازی و آزمایشگاهی سرعت (a) بالادست دو پایه، (b) بین دو پایه،(c) پاییندست دو پایه (اسدیپرتو و همکاران، 1392)27شکل 3-1- تقسیمبندی زیرلایههای مختلف در نزدیکی دیواره (ویلکاکس، 2006).34شکل 3-2- مقادیر (F) در سلول های شبکه بندی و در نزدیکی سطح36شکل 4-1- نمای شماتیک آزمایش تک پایه (عطاییآشتیانی و اصلانیکردکندی، 2013)45شکل 4-2- نمای شماتیک آزمایش گروه پایه دوتایی (عطاییآشتیانی و اصلانیکردکندی، 2013)45شکل 4-3- مشبندی و فشردگی آن در اطراف پایه استوانهای46شکل4-4- شرایط مرزی شبیهسازی در حالت تک پایه50شکل 4-5- نمودار سرعت جریان شبیهسازی شده در چهار نوع شبکه محاسباتی در فاصله 6 میلیمتری بالای بستر52شکل 4-6- نمودار سرعت جریان شبیهسازی شده در چهار نوع شبکه محاسباتی در فاصله 162 میلیمتری بالای بستر53شکل 4-7- خطوط جریان در حالتهای الف) مدل آزمایشگاهی ب) S453شکل 4-8- ناحیه جدایی جریان (سامر و فردسو، 2006)54شکل 4-9- خطوط همتراز سرعت در جهت x الف) مدل آزمایشگاهی ب) نتیجه شبیهسازی55شکل 4-10- خطوط همتراز سرعت در جهت y الف) مدل آزمایشگاهی ب) نتیجه شبیهسازی56شکل 4-11- خطوط همتراز سرعت در جهت z الف) مدل آزمایشگاهی ب) نتیجه شبیهسازی57شکل 4-12- مشبندی و فشردگی آن در حالت گروه پایه دوتایی الف) نمای دوبعدی (صفحه (x-y ب) نمای سهبعدی59 عنوان ...................................................................................................................صفحه شکل4-13- شرایط مرزی شبیهسازی در حالت گروه پایه دوتایی60شکل 4-14- نمودار سرعت جریان شبیهسازی شده در سه نوع شبکه محاسباتی در فاصله 7 میلیمتری بالای بستر62شکل 4-15- نمودار سرعت جریان شبیهسازی شده در سه نوع شبکه محاسباتی در فاصله 140 میلیمتری بالای بستر62شکل 4-16- خطوط همتراز سرعت در جهت x الف) مدل آزمایشگاهی ب) مدل استاندارد ج) مدل RNG63شکل 4-17- خطوط همتراز سرعت در جهت x. مقایسه مدل آزمایشگاهی با مدلهای تلاطمی استاندارد و RNG در سطح 140 میلیمتری از بستر64شکل 4-18- خطوط همتراز سرعت در جهت y الف) مدل آزمایشگاهی ب) مدل استاندارد ج) مدل RNG65شکل 4-19- خطوط همتراز سرعت در جهت y. مقایسه مدل آزمایشگاهی با مدلهای تلاطمی استاندارد و RNG در سطح 7 میلیمتری از بستر66شکل 4-20- خطوط همتراز سرعت در جهت z الف) مدل آزمایشگاهی ب) مدل استاندارد ج) مدل RNG67شکل 4-21- خطوط همتراز سرعت در جهت z. مقایسه مدل آزمایشگاهی با مدلهای تلاطمی استاندارد و RNG در سطح 7 میلیمتری از بستر68شکل 4-22- خطوط جریان در صفحه x-y الف) مدل آزمایشگاهی ب) مدل استاندارد ج) مدل RNG69شکل 4-23- خطوط جریان در سطح 140 میلیمتری از بستر..مقایسه خطوط جریان در پشت پایه دوم در مدل آزمایشگاهی با مدلهای تلاطمی استاندارد و RNG70شکل 4-24- خطوط جریان و بردارهای سرعت در صفحه x-z و در Y/D=0 (صفحه مرکزی جریان) الف) مدل آزمایشگاهی ب) مدل استاندارد ج) مدل RNG71شکل 4-25- خطوط جریان در صفحه x-z. مقایسه خطوط جریان در جلو و پشت پایه دوم در مدل آزمایشگاهی با مدلهای تلاطمی استاندارد و RNG72 عنوان ...................................................................................................................صفحه شکل 4-26- بردارهای سرعت در صفحه x-z. مقایسه بردارهای سرعت در فاصله بین دو پایه در مدل آزمایشگاهی با مدلهای تلاطمی استاندارد و RNG73شکل 4-27- درصد خطا در برآورد حداکثر و حداقل سرعت در سه مدل شبیهسازی S4، T3 و TR نسبت به مدل آزمایشگاهی74شکل 4-28- طرح شماتیک فلوم آزمایشگاهی (خواجهنوری، 1385)75شکل 4-29- مدل سهبعدی بستر جریان در حضور چاله آبشستگی به همراه پایههای پل76شکل 4-30- نمودار سرعت جریان شبیهسازی شده در سه نوع شبکه محاسباتی در فاصله 10 میلیمتری بالای بستر78شکل 4-31- مقایسه نمودار سرعت جریان شبیهسازی شده و آزمایشگاهی در جهت x و در سه سطح 10، 15، 20 و 25 میلیمتر بالای بستر79شکل 4-32- سرعت x در صفحه x-zو در محور مرکزی جریان (Y/D=0)81شکل 4-33- بردارهای سرعت در صفحه x-z و در محور مرکزی جریان (Y/D=0)81شکل 4-34- سرعت x جلوی پایه اول در صفحه x-z و در محور مرکزی جریان (Y/D=0)82شکل 4-35- بردارهای سرعت جلوی پایه اول در صفحه x-z و در محور مرکزی جریان (Y/D=0)82شکل 4-36- روند حرکت ذرات نشانگر در زمانهای مختلف شبیهسازی83شکل 4-37- روند حرکت ذرات نشانگر در زمانهای 2 و 4 ثانیه84 فهرست علائم و اختصاراتمعادل فارسیعلامت اختصاریمعادل فارسیعلامت اختصاریتولید انرژی جنبشی شناوریGbسطح مقطعAتولید انرژی اغتشاشGkجزء سطحیAFشتاب ثقل در جهت xGxکسر سطحی در راستایxAxشتاب ثقل در جهت yGyکسر سطحی در راستایyAyشتاب ثقل در جهت zGzکسر سطحی در راستایzAzشتاب ثقلgعرض کانالbعمق جریانhافت جریان در جهت xbxثابت فنکارمنKافت جریان در جهت ybyانرژی جنبشی آشفتگیkافت جریان در جهت zbzارتفاع زبریksثابت معادله طولLثابت معادله طول اختلاطLmثابت معادله تعداد سلولها در جهات مختلفNCقطر پایهDتعداد سلول در مقطع عرضی پایهNCDضریب پخشDdتعداد کل سلولهای شبکه محاسباتیNTمتوسط قطر ذراتd50ضریب ثابت پخش ذرهتابع حجم سیالFضریب زبری مانینگnنیروی اصطکاکFfمقادیر مشاهده شدهOiعدد فرود جریانFr(h)مقادیر پیشبینی شدهPiضریب اصطکاکفشار سکونPStagnationشتاب لزجت در جهتxفشار استاتیکPStaticشتاب لزجت در جهتyمحیط مرطوبPwشتاب لزجت در جهتz فهرست علائم و اختصاراتمعادل فارسیعلامت اختصاریمعادل فارسیعلامت اختصاریفاصله طولی در جهت جریانxدبی جریانQنسبت انبساط نوسانیYmضریب مربوط به مختصات انتخابیRفاصله عرضی عمود بر جریانyتابع دیفیوژنRDIFفاصله نرمال از دیوارهy+رینولدز پایهRe(D)ارتفاع از بسترzرینولدز جریانRe(h)حجم سلولشعاع هیدرولیکیRhکوچکترین بعد سلول در جهات مختلفCمعکوس عدد اشمیتRMPARTاتلاف آشفتگیتابع چشمهRSORلزجت دینامیکیشیب خط انرژیSلزجت سینماتیکچگالی نسبی ذراتSSضریب مربوط به مختصات کارتزین و استوانهایξسرعت جریانUجرم مخصوص سیالسرعت جریان ورودیU0عدد پرانتل اغتشاش برای kسرعت لحظهایعدد پرانتل اغتشاش برای سرعت نوسان لحظهایمتوسط تنش برشی موجودسرعت متوسط زمانی در راستای xتنش برشی نزدیک بسترمقدار بیبعد سرعتu+تنش برشی بحرانیسرعت برشیتنش برشی آرامسرعت برشی بحرانی ذراتتنش برشی میانگینحجم سیالVتنش برشی تلاطمجزء حجمیVFتنش برشی در مرز جامدسرعت در راستای yvزاویه جدایی جریانوزن جزء حجمی سیالWXسرعت در راستای zw فصل اولکلیات 1. 1- کلیات 1-1- مقدمهاحداث پایههای پل در رودخانهها اثراتی مهم و گاه مخرب به همراه دارد که از این میان میتوان به مواردی چون اعمال نیروی هیدرودینامیکی جریان بر پایه، وقوع آبشستگی موضعی حول پایه و افزایش سطح آب در بالادست پایه (فراآب) اشاره نمود (کریمینیا و صالحی نیشابوری، 1390). به برداشته شدن مواد کف بستر در اطراف پایهها آبشستگی پایه پل گویند. شتاب جریان ناشی از پایههای پل باعث ایجاد گردابهای نعل اسبی[1] و گردابهای دنباله[2] در اطراف پایهها میشود. گردابهای نعل اسبی که در پایین پایهها به وجود میآید اساسیترین نیروی مستقیم را که سبب فرسایش مواد بستر میگردد را ایجاد میکنند. قرارگیری پایههای پل در مسیر جریان باعث ایجاد ساختار افقی جریان میگردند (هافمن و ورهیج[3]، 1997). شکل و عمق آبشستگی موضعی اطراف پایههای پل در درجه اول به شکل هندسی پایه پل بستگی دارد. الگوی جریان و آبشستگی در اطراف پایه در شکل 1-1 نشان داده‌شده است.فرآیند آبشستگی در اطراف پایه نسبتاً پیچیده است. این الگوی پیچیده جریان در چاله آبشستگی به تفصیل توسط افراد متعددی مورد بررسی قرار گرفته است که از آن جمله میتوان به هربیچ (1984)، درگاهی[5] (1987)، بریسرز ورادکیوی[6] (1991) اشاره کرد. جریانهای اصلی ایجاد کننده آبشستگی در اطراف پایه شامل جریان رو به پایین[7] در بالادست پایه، گردابهای نعل اسبی در پایین پایه، جریانهای غلتکی سطحی[8] در بالادست پایه و گردابهای دنباله در پایین دست پایه میباشد. جریان پایین رونده در نتیجه مانع شدن بدنه پایه در مقابل جریان میباشد که باعث کاهش سرعت جریان در بالادست پایه میشود. برخورد جریان پایین رونده به بستر مانند یک جت عمودی عمل میکند. برخورد جریان پایین رونده با جریان افقی لایه مرزی در نزدیکی کف، گردابهای نعل اسبی را در پایین پایه بوجود میآورد (ریچاردسون و پانچانگ[9]، 1998). بلافاصله در جلوی پایه شیاری ایجاد میگردد. دو جریان گردابهای نعل اسبی و دنباله مصالح بستر را از منطقه پایین پایه جابهجا میکنند. هرچند، با فاصله گرفتن از پایین دست پایه شدت گردابهای دنباله به سرعت کاهش مییابند (ریچاردسون و دیویس[10]، 2001). از این رو بلافاصله در پایین دست پایه مصالح بستر رسوب میکنند.