SUPERVISOR
Hossein AfzaliMehr,Mahmud Ashrafizadeh
حسین افضلی مهر (استاد راهنما) محمود اشرفی زاده (استاد مشاور)
STUDENT
Mahsa Jahadi
مهسا جهادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Interaction of vegetation patches dynamics with coherent flow structures
Vegetation in rivers often occurs in patches of different sizes playing significant role in form induced, sediment traort, biological and ecological of river systems. In addition, they have a significant role on flow structures. The presence of vegetation patch is different from other obstacles in rivers due to its permeability, however, the presence of an obstacle (e.g., bridge pier) changes the velocity field as well as the vegetation patch do. The effect of vegetation patch on the flow structure is weakly recognized. So investigation of the interaction between submerged vegetation patch and flow structure is of crucial importance. Flow within and just above vegetation behaves similarly to mixing layer rather than the boundary layer, thus at this research the mixing layer theory to quantify the interaction between flow and submerged vegetation patch was evaluated, although, the effect of developing flow over small patches has not been considered in the canonical mixing layer theory. Accordingly, it is essential to combine a canonical mixing layer model and modified equations to quantify evolving area along the patch. Another major aim of this dissertation is to predict vegetation effect on hydraulic resistance in stream by applying Computational Fluid Dynamics (CFD) method to resolve the Reynolds equations. To achieving this goal, The Fluent software, Reynolds Stress model and the Porous zone model were used. To examine the evolving mixing layer equation for the flow along the vegetation patch and the estimated drag coefficient based on numerical solution of Reynolds equations, experimental was conducted in laboratory and river. Laboratory experiments were carried out over an artificial vegetation patch with 4.6 m length (with developing and fully-developed flow) in a rectangular flume in the Hydraulic Laboratory of Isfahan University of Technology for flow discharge 21 and 29 l/s. Field experiments were conducted in Pelasjan River in Chadegan city at Isfahan province and in Beheshtabad River in Ardal city at Chaharmahal Bakhtiari province. The maximum length of the selected vegetation patch in Pelasjan River was 2.7m (with developing flow). The density and vegetation height of canopy increased toward the end of the heterogeneous patch. Moreover, the maximum length of the selected vegetation patch in Beheshtabad River was 0.9 m (with only developing flow). To investigate the impact of canopy density on flow structure, the experiments in Beheshtabad River were carried out with 3 different densities with ahp equal to 4.5, 3.3, and 2.7. The results reveal that there is a reasonable agreement between the measured value of velocity and Reynolds stress profile with the estimated ones by evolving mixing layer equations. The result reveal that there is a reasonable agreement between the measured values of velocity and Reynolds stress profile with the estimated ones by evolving mixing layer equations. However, the spreading coefficient of this model less than ones was reported in literature, 0.06-0.12 thanks to the limitation of vertical development of the mixing layer width by bed and small canopy height or bed and water surface or canopy density. Also, the results show that the mixing layer thickness over vegetation patch with only developing flow (such as selected patches in Pelasjan and Beheshtabad rivers) follows as linear trend, however, it follows logarithmic trend for developing and fully developed flow region (such as vegetation patch in experimental flow). In addition, the flow immediately downstream the vegetation patch behaves similar to a jet and is parameterized by two conventional models, conventional logarithmic low and mixing layer theory. These models present a reasonable agreement with the measured velocity profiles immediately downstream the patch. The predicted drag coefficient based on Reynolds equation and empirical equation has a proper agreement along vegetation patch in experimental flume (with two different discharge) and in Beheshtabad river (with three different density). However, the empirical equation does not show the fluctuation of drag coefficient at the leading edge. Finally, the velocity and stress acquired by numerical solution of Reynolds equation has a rational agreement with the measured ones, but there was no significant difference between predicted profiles based on empirical equation or numerical solving of Reynolds equations. Indeed it can not modify the output of CFD models using porous zone due to the low sensitivity of porous zone to slight fluculation of drag coefficient. Key Words Vegetattion patch, mixing layer theory, Numerical simulation, Drag coefficient, Fluent.
پوشش گیاهی که در رودخانه ها عمدتاً به صورت توده گیاهی با طول و عرض محدود مشاهده می گردند، تاثیر به سزایی بر شکل بستر، انتقال رسوب، بیولوژی و اکولوژی سیستم رودخانه ای دارند و هیدرودینامیک جریان را به طور قابل ملاحظه ای تغییر می دهند. حضور توده گیاهی مانند سایر موانع در رودخانه ساختار جریان را تغییر می دهد لکن به دلیل نفوذ پذیری و گاهاً مستغرق بودن آن، تاثیر آن با ساختار جریان متاثر از دیگر موانع (نظیر پایه پل و غیره) در رودخانه متفاوت است. تاثیر توده گیاهی بر ساختار جریان به ندرت مورد بررسی قرار گرفته است. بنابراین مطالعه و کمی نمودن تعامل بین توده گیاهی مستغرق و ساختار جریان از اهمیت ویژه ای برای مهندسان رودخانه برخوردار است. با توجه به شباهت بیشتر ساختار جریان در داخل و بالای پوشش گیاهی به لایه اختلاط نسبت به لایه مرزی، تئوری اختلاط جهت کمی نمودن تعامل جریان و توده گیاهی در این پژوهش مورد ارزیابی قرار گرفته است، هر چند یکی از ویژگی های اساسی توده گیاهی با طول محدود تشکیل جریان های درحال توسعه بر روی آن است که در تئوری اختلاط لحاظ نشده است. از اینرو ضروری است مفهوم دینامیک مکانی جریان، با تئوری لایه اختلاط برای مطالعه ساختار جریان بر روی توده گیاهی با یکدیگر ادغام گردند. یکی دیگر از اهداف اصلی این رساله، برآورد مقاومت هیدرولیکی ناشی از حضور توده گیاهی با استفاده از حل عددی معادله رینولدز و مقایسه نتایج حاصله با روابط موجود در هیدرولیک محیط زیست است. به منظور حل عددی این معادله از نرم افزار فلوئنت، مدل تنش رینولدز و محیط متخلخل استفاده گردید. در این پژوهش جهت ارزیابی کاربرد تئوری اختلاط با در نظر گرفتن دینامیک مکانی جریان درحال توسعه روی توده گیاهی و ارزیابی ضریب دراگ برآورد شده بر اساس حل عددی معادله رینولدز از دو روش آزمایشگاهی و صحرایی کمک گرفته شد. انجام آزمایشات در آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه صنعتی اصفهان، بر روی یک توده گیاهی به طول 6/4 متر (که در آن امکان تشکیل هر دو جریان در حال توسعه و کاملاً توسعه یافته وجود دارد) در یک فلوم مستطیلی با دو دبی 29 و 21 لیتر بر ثانیه ( عدد فرود 15/0 و 11/0و عدد رینولدز 23387 و 16935) صورت پذیرفت. انجام آزمایشات صحرایی، در رودخانه پلاسجان در شهرستان چادگان، استان اصفهان و رودخانه بهشت آباد در شهرستان اردل، استان چهارمحال بختیاری صورت پذیرفت. توده گیاهی مورد مطالعه در رودخانه پلاسجان دارای حداکثر طول 7/2 متر (که در آن تنها امکان تشکیل جریان در حال توسعه وجود دارد) بود. این توده گیاهی غیر یکنواخت است به طوری که تراکم و ارتفاع پوشش گیاهی از لبه حمله تا انتهای توده گیاهی افزایش می یابد. عدد فرود و عدد رینولدز دریک مقطع انتخابی در بالادست توده گیاهی مورد بررسی در رودخانه پلاسجان به ترتیب حدود 25/0 و 113943 محاسبه شد. همچنین توده گیاهی مورد مطالعه در رودخانه بهشت آباد دارای حداکثر طول 96/0 متر(که در آن تنها امکان تشکیل جریان درحال توسعه وجود دارد) بود. عدد فرود و عدد رینولدز دریک مقطع انتخابی در بالادست توده گیاهی مورد بررسی در رودخانه بهشت آباد به ترتیب حدود 2/0 و 116788 محاسبه شد. به منظور مطالعه و بررسی اثر تراکم توده گیاهی، آزمایشات در رودخانه بهشت آباد در سه تراکم مختلف با شاخص سطح پیشانی در واحد سطح برابر 5/4، 3/3 و 7/2 صورت پذیرفت. با مقایسه پروفیل سرعت و تنش رینولدز حاصل از ادغام تئوری اختلاط و معادلات جریان در ناحیه درحال توسعه بر روی توده گیاهی با داده های اندازه گیری شده بر روی توده های گیاهی مورد مطالعه در آزمایشگاه و رودخانه تطابق منطقی ملاحظه گردید. اگرچه ضریب پخشیدگی این مدل در مواردی که رشد و توسعه آزادانه ادی ها به دلیل ارتفاع کم پوشش گیاهی، عمق کم آب و تراکم بسیار زیاد پوشش گیاهی محدود گردد، کمتر از دامنه ارائه شده توسط سایر محققان (06/0- 12/0) بود. همچنین نتایج نشان می دهد که ضخامت لایه اختلاط بر روی توده گیاهی که در آن تنها جریان درحال توسعه تشکیل می گردد (نظیر توده گیاهی در رودخانه پلاسجان و بهشت آباد) دارای روند رشد خطی است در حالی که بر روی توده گیاهی با دو ناحیه در حال توسعه و کاملاً توسعه یافته (نظیر توده گیاهی در فلوم آزمایشگاهی) به صورت لگاریتمی است. علاوه بر این جریان بلافاصله در پایین دست توده گیاهی شبیه یک جت یا لایه اختلاط است که توسط دو مدل مرسوم، قانون لگاریتمی (در مجاورت بستر) و تئوری اختلاط کلاسیک کمی گردیده اند. پروفیل سرعت در پایین دست توده گیاهی بر اساس این مدل، تطابق قابل قبولی با مقادیر اندازه گیری شده از خود نشان داده اند. با مقایسه ضریب دراگ برآورد شده بر اساس حل عددی معادله رینولدز و ضریب دراگ حاصل از رابطه نیمه تجربی برای توده گیاهی مورد بررسی در فلوم آزمایشگاهی (با دو دبی مختلف) و رودخانه بهشت آباد (با سه تراکم مختلف) تطابق مناسبی ملاحظه گردید، هرچند رابطه نیمه تجربی، تغییرات ضریب دراگ به ویژه در لبه حمله توده گیاهی را نشان نمی دهد. در پایان، پروفیل سرعت و مولفه های تنش پیرامون توده گیاهی حاصل از حل عددی معادله رینولدز تطابق معقولی با داده های اندازه گیری شده روی توده گیاهی در فلوم آزمایشگاهی و رودخانه بهشت آباد نشان دادند، هرچند تخمین ضریب دراگ با حل عددی معادله رینولدز و رابطه نیمه تجربی به دلیل حساسیت کم مدل محیط متخلخل به تغییرات ضریب دراگ، تفاوت محسوسی در پروفیل سرعت و مولفه های تنش در فلوم آزمایشگاه و رودخانه ایجاد ننمود. کلمات کلیدی : توده گیاهی، تئوری اختلاط، شبیه سازی عددی، ضریب دراگ، فلوئنت.