Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad-Reza Chamani,Abdolreza Kabiri,Hossein Atoof
محمدرضا چمنی (استاد راهنما) عبدالرضا کبیری سامانی (استاد راهنما) حسین عطوف (استاد مشاور)
 
STUDENT
Fatemeh Farshi
فاطمه فرشی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

.Analytical-Numerical Modeling of Boundary Shear Stress Distribution in Curved Compound Channels
Three previous researches were combined to develop an analytical model for evaluation of boundary shear stress in compound open channel bends. In the present model, perpendicular volumetric elements are generated in all cross sections of a bend. Each element represents an equation with two parameters as secondary current parameter and momentum transfer coefficient, standing for acceleration and apparent shear forces. For each cross section with N elements, N equations with N unknowns of stream-wise depth-averaged velocity, are derived. The boundary shear stress distribution is then calculated using the Darcy-Weisbach relationship. Simultaneous effects of centrifugal force, floodplain interferences, and variation of the depth-averaged velocity are combined in an analytical model to derive a relationship for estimating the secondary current parameter and the momentum transfer coefficient in bends of the compound open channels. This parameters are evaluated, using the experimental data. To generalize the obtained relationships, numerical modelling is performed using an open source CFD software, namely OpenFOAM. In the present study, the Reynolds Averaged Navier-Stocks equations (RANS) are solved, and a single-phase solver, simpleFoam, is applied with an appropriate boundary condition on the free-surface. The SST k - ? turbulent model is applied for turbulence modelling of the flow field. To obtain general correlations for the hydrodynamic characteristics of the flow such as the velocity components, different numerical models are developed. Accordingly, all the present numerical results, as well as the available experimental data are used to derive correlations for the secondary current parameter and the momentum transfer coefficient in curved compound open channels. Key Words : Boundary shear stress, Depth-averaged velocity, Secondary currents, Compound channel, Open channel bend, Momentum transfer coefficient.
کانال­های باز معمولاً علاوه ­بر کانال اصلی، دارای قسمت­هایی به نام سیلاب­­دشت نیز هستند. هنگامی‌که جریان از کانال اصلی به سیلاب­دشت وارد می­شود، الگوی جریان در کانال تغییر می­کند. اختلاف سرعت جریان بین کانال اصلی و سیلاب­دشت­ها باعث تولید لایه­های عرضی برشی می­شود و این لایه­ها در اثر عدم ­تعادل میدان جریان در فصل مشترک کانال اصلی و سیلاب­دشت­ها، گردابه­های منظمی را پدید می­آورند. هنگامی­که مسیرکانال به حالت پیچان­رود درمی­آید، ساختار جریان نیز پیچیده­تر می­شود. جریان در کانال اصلی در جهت دیواره حرکت می­کند، در حالی­که در قسمت سیلاب­دشت، جریان مسیر مستقیمی را به­سمت پایین­دست طی می­کند و به­صورت گردابه‌هایی به­سمت کانال اصلی حرکت می­کند و ساختارهای سه­بعدی را ایجاد می­کند. این ساختارها تحت­ تأثیر نیروی گریز از مرکز با جریان­های ثانـویه‌ی موجود در کانـال مـرکب ترکیـب می­شـوند. علاوه بر آن، تغییرات تنش برشی در پیرامون مرطوب مقاطع کانال­های باز و رودخانه­ها، غیریکنواخت بوده و مهم­ترین عوامل مؤثر بر نحوه و توزیع آن، شکل سطح مقطع مجرا، توزیع زبری بستر و جریان­های ثانویه هستند. برای تخمین توزیع تنش برشی، پارامترهای مهم دیگری نظیر پارامتر جریان ثانویه، تنش برشی ظاهری، ضریب اصطکاک کف و جمله­ی گرانش باید باتوجه به شرایط ویژه­ی این نوع کانال­ها تعیین شوند. هدف اصلی پژوهش حاضر برآورد و تخمین توزیع تنش برشی در کانال­های مرکب در مسیر خم است. با استفاده از مدل­سازی تحلیلی و عددی، توزیع تنش برشی جداره برای کانال­های مرکب در مسیر خم به­دست آمد. ابتدا مدلی تحلیلی برای برآورد توزیع تنش برشی جداره و پارامترهای مورد نیاز آن ارایه ­شد. در مدل تحلیلی، مقطع جریان به المان­هایی با عرض دلخواه تقسیم می­شود و برای هر المان رابطه­ی تعادل نیرو نوشته می­شود. جمله­های مختلف این رابطه براساس مربع سرعت متوسط عمقی نوشته می­شوند که با استفاده از رابطه­ی دارسی- وایسباخ با تنش برشی متوسط هر المان در ارتباط هستند. از داده­های آزمایشگاهی موجود برای برآورد و برازش رابطه­ی مناسب برای پارامترهای مدل تحلیلی استفاده می­شود. جهت تکمیل و اصلاح پارامترهای مورد نیاز مدل تحلیلی، از مدل­سازی عددی استفاده شد. با استفاده از مدل­سازی عددی در محیط نرم­افزار اپنفوم، به بررسی ویژگی­های هیدرولیکی جریان در یک­ کانال مرکب در مسیر پیچان­رود پرداخته شد. نتایج مدل تحلیلی با مدل­های آزمایشگاهی موجود مقایسه شد. دقت نتایج در برخی موارد غیرقابل­قبول بود. پس از صحت­سنجی مدل عددی، مدل­هایی با شرایط مختلف ساخته شد. پارامتر جریان ثانویه و ضریب انتقال مومنتوم برای شرایط گوناگون هیدرولیکی و هندسی مقطع تعیین شد. با استفاده از نتایج مدل­های جدید عددی به­همراه مدل­های آزمایشگاهی پیشین، رابطه­های پارامترهای مدل تحلیلی در مقاطع مختلف اصلاح شد. داده­های کانا­های مستقیم نیز به دیگر داده­ها اضافه شده است. کانال­های مستقیم می­توانند با شعاع خم بی­نهایت و در محل تاج فرض گردند. پارامتر جریان­ ثانویه در محل تاج خم­های ملایم با انحنای تقریبی 3/1، مرتبه­ی بزرگی در حدود هفت برابر مقدار متناظر آن در کانال­های مستقیم دارد. وجود نیروی گریز از مرکز در خم­ها، مهم­ترین تأثیر را در پارامتر جریان ثانویه دارد. در نهایت تنش برشی جداره بار دیگر با استفاده از حل هم­زمان رابطه­های تعادل نیروی المان­ها، با توجه به شرایط مقطع و با استفاده از رابطه­های ارایه شده برای پارامترهای مورد نیاز تخمین زده شد. دقت نتایج به­دست آمده در محل تاج حدود 10 درصد و در یکی از موارد حدود 40 درصد به­دست آمد. دقت کم نتایج به­دست آمده در یکی از مدل­ها به­دلیل تخمین اشتباه ضریب اصطکاک در مدل آزمایشگاهی است. در مجموع می­توان گفت که مدل تحلیلی پیشنهاد شده در این پژوهش برای تخمین تنش برشی کف کانال­های مرکب با مسیر خمیده مناسب است. کلمات کلیدی: تنش برشی جداره ، جریان­های ثانویه، کانال مرکب، خم کانال، ضریب انتقال مومنتوم.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی