اثرات ابعاد مختلف شکل های بستر سه بعدی بر ساختار پیوسته جریان و جدایی لایه مرزی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Pools and riffles in gravel-bed rivers have a major effect on the variables of the flow equations. Obtaining measurements of these variables requires comprehensive research conducted in rivers. Detailed measurements were taken from one reach of the Kaj River, Iran. The subsequent results showed a phase shift for: X-component of velocity, near bed velocity in X and Z directions, and bed shear stress versus bed elevation profiles. In the riffle section, vectors of the vertical velocity component were oriented towards the bed. However, in the pool section, vectors were oriented downward close to the bed, and upward at higher levels. Quadrant analysis for the pool illustrated the dominance of ejection and sweep interactions near to the bed and near to the water surface respectively. However, in the riffle, outward interactions were dominant near the bed, and sweep interactions were dominant near the water surface. The spectral analysis revealed that flow over pool-riffle does not follow the scaling regime of Kolmogorov, used to illustrate the slope of ?5/3 in inertial sub-range. Experiments have been carried out in a flume with one 2D pool-riffle sequence and one 3D pool-riffle sequence, respectively. Objectives of this study are to determine whether or not the convergence of lateral flow exists. Variations of the near-bed shear stress have been studied. The characteristics of the secondary currents along a pool-riffle sequence have been investigated. Results showed that for the 3D pool-riffle sequence, the near-bed velocity decreases along convective deceleration flow (CDF) and increases along convective acceleration flow (CAF), respectively. It is found that the shear velocities estimated from the slope of the velocity gradient in the inner layer, decrease in the CDF section, and increase in the CAF section in the 3D pool-riffle sequences. The Reynolds shear stress is highest at the CDF section along longitudinal lines with distances of 10 cm and 20 cm away from the channel wall. Key Words Three dimensional bed-forms, Boundary layer separation, Flow structure, Secondary currents, Simulation of flow.

نیاز انسان به آب باعث شده تا اکثر تمدن های بشری در کنار رودخانه ها شکل بگیرند. استفاده بهینه از رودخانه ها به لحاظ اهمیتی که این منابع طبیعی در برآورد نیازهای بشری داشته اند، مورد توجه قرار گرفته است. این نیاز از انگیزه های مهم به وجود آمدن شاخه ای از علم مهندسی آب به نام مهندسی رودخانه بوده است. از جمله مباحث مهم در علم مهندسی رودخانه شناخت شکل بستر رودخانه، تثبیت سواحل و بستر رودخانه و ساختار جریان بر روی آن بوده است. در کانال های آبرفتی با بستر ماسه ای شکل های بستر تشکیل یافته تلماسه ها بوده و در مقابل در رودخانه های شنی شکل های بستر برآمده و فرورفته تشکیل شده که اغلب در مناطق کوهستانی دیده شده اند.این پژوهش در قالب سه دسته مطالعات صحرایی، مطالعات آزمایشگاهی و شبیه سازی عددی انجام گردید. مطالعات صحرایی در دو رودخانه بابلرود واقع در غرب شهرستان بابلسر، و رودخانه کاج واقع در جنوب غربی روستای رستم آباد از توابع شهرستان اردل انجام شد. از سویی، مطالعات آزمایشگاهی در قالب دو شکل بستر برآمده و فرورفته و همچنین شکل بستر تلماسه ترتیب داده شد. شکل بسترهای برآمده و فرورفته در دو شکل دو و سه بعدی، و تلماسه ها در چهار نوع دوبعدی، سه بعدی با خط تاج محدب به سمت پایین دست، سه بعدی با خط تاج مقعر به سمت پایین دست و سه بعدی با خط تاج سینوسی انجام شد.نتایج مطالعات در رودخانه بابلرود نشان داد که سرعت های اندازه گیری شده و شبیه سازی شده با نرم افزار دوبعدی River2D تطابق خوبی را نشان داد. حداکثر مقدار سرعتی برابر با m/s 12/1 در رأس شکل بستر فرورفته، و همچنین مقداری برابر با m/s 88/0 در مرکز شکل بستر فرورفته مشاهده رخ داده است. علی رغم عدم حضور مانعی در مقابل جریان، همگرایی جانبی جریان مشاهده شد که این پدیده محصولی از جریان کندشونده بر روی جریان تندشونده است. در رودخانه کاج بررسی ها نشان داد که بیشترین مقادیر سرعت میانگین راستای جریان، سرعت های نزدیک به بستر در راستای جریان و در راستای عمودی برای شکل بستر فرورفته وجود داشته است. همچنین برای نیمرخ تنش برشی بستر در راستای جریان اصلی رودخانه، تغییر فازی در جهت بالادست در نیمرخ تنش برشی بستر مشاهده شد. حضور بردارهای سرعت عمودی به سمت پایین در محور مرکزی کانال، و بردارهای جهت گیری شده به سمت بالا در جداره های کانال نشان از همگرایی جانبی جریان داشته که در تطابق با مطالعات پیشین بوده است. نتایج آنالیز یک چهارم نشان داد که برای قسمت های مختلف شکل بستر، در نزدیکی سطح آب واقعه جاروب غالب بوده و در نزدیکی بستر واقعه جرقه برای شکل بستر فرورفته و تعامل برونی برای شکل بستر برآمده بالاترین درصد را داشته است. نتایج مطالعات آزمایشگاهی انجام شده در حضور شکل بسترهای برآمده و فرورفته دوبعدی نشان داد که در راستای محور مرکزی کانال در یک ناحیه کوچک جدایی جریان از انتهای شیب ورودی شکل بستر فرورفته آغاز شده و در میانه عمیق ترین قسمت آن ناپدید گردیده است. بررسی نیمرخ های تنش برشی نشان داد که بیشترین مقادیر تنش برشی بستر در میانه شکل بستر فرورفته رخ داده و این پارامتر حداقل مقدار خود را در شیب ورودی شکل بستر فرورفته اختیار کرده. نتایج بررسی ترم تولیدکننده جریان های ثانویه نشان داد که بیشترین مقدار این پارامتر بر روی شکل بستر برآمده در پایین دست محاسبه شده است. در حضور شکل های بستر برآمده و فرورفته سه بعدی جدایی جریان در فاصله 10 سانتی متری از جدار چپ کانال که نزدیک ترین فاصله برداشت شده به جدار کانال را داشت، مشاهده نشد. این در حالی است که با فاصله گرفتن از جدار کانال و نزدیک شدن به محور مرکزی کانال ناحیه جدایی جریان ظهور کرده و بیشترین سطح را در فاصله 20 سانتی متری از دیواره اشغال کرده است. نتایج نشان از وقوع بیشترین مقدار تنش برشی رینولدز بر روی شیب ورودی شکل بستر فرورفته در فواصل 10 و 20 سانتی متری از جدار، و در بخش میانی شکل بستر فرورفته برای فواصل 30 و 45 سانتی متری از دیواره داشته است. مطالعات انجام شده برای شکل های بستر تلماسه نشان داد که طول ناحیه جدایی جریان برای تلماسه سه بعدی با خط تاج محدب به سمت پایین دست نسبت به تلماسه دوبعدی در محور مرکزی کانال، کاهش یافته است. این در حالی است که در حضور تلماسه با خط تاج مقعر به سمت پایین دست، طول ناحیه جدایی جریان در مقایسه با تلماسه با خط تاج محدب به سمت پایین دست بزرگتر و در مقایسه با تلماسه دوبعدی کوچکتر بود. مقایسه نمودارهای خطوط تراز سرعت های در راستای جریان برای تلماسه با خط تاج سینوسی نشان داد که بزرگترین ناحیه جدایی جریان مربوطه به این تلماسه بوده است. در مقایسه ای که بین تلماسه دوبعدی و تلماسه های سه بعدی با خط تاج محدب و مقعر به سمت پایین دست و خط تاج سینوسی انجام شد، نتایج نشان داد که بیشترین مقدار تنش برشی مربوط به تلماسه با خط تاج محدب به سمت پایین دست بوده است. در حضور تلماسه با خط تاج سینوسی، مقایسه مقادیر تنش برشی نشان داد که کمترین مقدار تنش برشی مربوط به فاصله 20 سانتی متری از دیواره و بیشترین مقدار آن مربوط به محور مرکزی بوده است. همچنین مقایسه اشکال مختلف تلماسه نشان داد که بیشترین مقدار انرژی جنبشی در محور مرکزی برای تلماسه با خط تاج سینوسی بوده است. کلمات کلیدی : شکل های بستر سه بعدی، جدایی لایه مرزی، ساختار جریان، جریان های ثانویه، شببیه سازی جریان