Skip to main content
SUPERVISOR
Hossein AfzaliMehr,Mahmud Ashrafizadeh
حسین افضلی مهر (استاد راهنما) محمود اشرفی زاده (استاد مشاور)
 
STUDENT
Reza Shahmohammadi
رضا شاه محمدی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

Interaction of Turbulence and Submerged Vegetation Cover on the Incipient Motion of Sediment Particles
Incipient motion of sediment in riverbed plays an important role in many river engineering projects such as design of stable channels and determination of riverbed resistance. The interaction between these fine sediment covers and vegetation patches under turbulent flow is very complex process. In this experimental study, the effect of submerged vegetation patch with individual plants on incipient motion of sediment has been examined. Experiments have been carried out in a rectangular flume that is 15 m long, and 0.9 m wide. Criterion for incipient motion of sediment in presence of vegetation patch was determined as continues scouring process around plant sheath, leading to considerable traort of sediment from the end of vegetation patch. Results showed that vegetation patch in channel bed affected the incipient motion process of sediment and resulted in significant impacts on flow velocity, turbulence intensities, turbulent kinetic energy and Reynolds stress distribution. The presence of vegetation patch completely change vertical distribution of velocity and Reynolds stress pattern and leads to negative Reynolds stress values in zones with negative velocity gradient. Through the vegetation patch, streamwise velocity profiles are S-shape, showing two turning points at 0.15 and 0.5-0.6 water depths. In presence of vegetation, threshold cross-averaged streamwise velocity is 20-29 percent smaller than that for without vegetation, but because of occurrence of preferential path around the sheath section, the near the bed streamwise velocity is increased. Also, vegetation increase turbulence intensity, encouraging sediment motion. Key Word Incipient motion, Reynolds stress, Shields parameter, turbulence, vegetation patch.
در تحقیق حاضر به مطالعة برهمکنش بین توربولانس و پوشش‌های گیاهی مستغرق طبیعی با گیاهان منفرد و منعطف و تأثیر آنها بر آستانه حرکت ذرات رسوب در شرایط کنترل شده آزمایشگاهی پرداخته شده است. برای شبیه سازی گیاهان منفرد از برگهای درخت کاج در دو آرایش شطرنجی 14×14 و 17×17 سانتیمتر و سه سناریوی عمق آب استفاده شد. آزمایشها در یک فلوم آزمایشگاهی به طول 15 متر و عرض 90 سانتیمتر انجام شده است. تعداد 5 گروه ذرات رسوب مورد استفاده از طریق دانه‌بندی ماسه معدنی بدست آمد. در مجموع در 13 آزمایش بدون پوشش گیاهی 39 نیمرخ سرعت و در 6 آزمایش در حضور پوشش گیاهی 84 نیمرخ سرعت توسط دستگاه سرعت سنج صوتی برداشت شد. پس از غربال‌سازی داده‌ها، تأثیر پوشش گیاهی در ساختار جریان و مشخصات توربولانس در حضور پوشش گیاهی و تأثیر آن در تغییر شرایط آستانه حرکت ذرات رسوب مورد بررسی قرار داده شد. معیار آستانه حرکت در شرایط بدون پوشش گیاهی منطبق بر حرکت متوسط کرامر و در حضور پوشش گیاهی، شروع حرکت ذرات بین بوته‌ها، آبشستگی پایدار و انتقال قابل توجه ذرات از داخل پوشش گیاهی به سمت پایین‌دست تعیین شد. نتایج آزمایشهای بدون حضور پوشش گیاهی اعتبار قانون لگاریتمی و سهمی به ترتیب در لایة داخلی و خارجی نیمرخ سرعت را تأیید کرد. معادلات مناسب برای برآورد سرعت آستانه متوسط و مجاور بستر بر اساس اندازه ذرات رسوب (و نسبت شناوری) ارائه گردید. بر اساس بررسی صورت گرفته مشخص شد که مقدار ثابت ون کارمن در بستر متحرک با افزایش اندازه ذرات رسوب و سرعت آستانه کاهش می‌یابد. نتایج آنالیز کوادرانت آزمایشهای آستانة حرکت ذرات رسوب بدون پوشش گیاهی نشان داد که در نقاط دور از بستر، عموماً رویداد جرقه بزرگتر از جاروب است. لیکن با نزدیک شدن به بستر همزمان با کاهش جرقه، جاروب افزایش می‌یابد. بطوریکه در تراز سطح ذرات رسوب، بطور میانگین جاروب 14 درصد بزرگتر از جرقه شده و رویداد غالب در مجاور بستر محسوب می‌شود. همچنین در مجاورت بستر سهم نسبی خروجی 22 درصد بیشتر از ورودی است. نتایج تحقیق نشان داد که حضور پوشش گیاهی منجر به افزایش شدت توربولانس وکاهش سرعت آستانه حرکت ذرات رسوب به میزان 20 تا 29 درصد شده است که نشان دهندة وقوع شرایط آستانه حرکت در سرعت آب کمتری است. با افزایش نسبت استغراق پوشش گیاهی سرعت آستانه حرکت ذرات رسوب افزایش می‌یابد. به نظر می‌رسد با افزایش نسبت استغراق، فضای بیشتری در بالای پوشش گیاهی برای انحراف جریان به سمت بالای تاج پوشش گیاهی ایجاد می‌شود و برای ایجاد شرایط آستانه به سرعت آب بیشتری نیاز می‌شود. بررسی نیمرخهای سرعت نشان داد که حضور گیاهان منفرد باعث تغییر نیمرخهای سرعت به شکل S می‌شود و قانون لگاریتمی در ناحیة داخلی اعتبار خود را از دست می‌دهد. میزان خمیدگی الگوی S شکل نیمرخ سرعت با فاصله از گیاه بالادست نسبت عکس دارد. نیمرخ سرعت در زیر ارتفاع خمیدة پوشش گیاهی به سه لایه شامل لایة زیرین و بالایی با گرادیان سرعت مثبت و لایة میانی باگرادیان سرعت منفی تقسیم گردید. در محدودة ساقه‌ها به دلیل سطح مقطع کمتر پوشش گیاهی در مقابل جریان نسبت به آسمانه آن، یک جریان ترجیحی برقرار شده و با افزایش سرعت آب که با افزایش شدت توربولانس همراه است، آستانه حرکت ذرات برقرار می‌شود. با افزایش تراکم پوشش گیاهی که با افزایش سطح مقطع آسمانه بوته‌ها همراه است، جریان ترجیحی در مجاورت بستر افزایش می‌یابد. در لایة میانی پوشش گیاهی در ناحیة تبادل افقی، به دلیل برخاستگی جریان پشت بوته‌ها و در بخش فوقانی لایة بالایی پوشش گیاهی در ناحیة تبادل قائم، به دلیل لایة برشی ایجاد شده ناشی از تفاوت گرادیان سرعت بین جریان آب در داخل و بالای پوشش گیاهی، افزایش پارامترهای توربولانس و تنش برشی رینولدز مشاهده می‌شود. بررسی نیمرخهای تنش برشی رینولدز و رویدادهای برستینگ نشان می‌دهد که در لایة میانی پوشش گیاهی که گرادیان سرعت منفی است، مقادیر تنش برشی رینولدز منفی بوده و علامت مثبت و منفی رویدادهای برستینگ برعکس شده است. بدین صورت که رویدادهای جرقه و جاروب دارای علامت منفی بوده و دارای قدرمطلق مقادیر کوچکتر از خروجی و ورودی دارای علامت مثبت هستند. نتایج این تحقیق می‌تواند در بهبود مدیریت مجاری روباز طبیعی و مصنوعی دارای پوشش گیاهی‌ مفید باشد. کلمات کلیدی : آستانه حرکت ذرات رسوب، پوشش گیاهی مستغرق، توربولانس، تنش برشی رینولدز، توزیع سرعت، رویدادهای برستینگ

ارتقاء امنیت وب با وف بومی