SUPERVISOR
Mohammad-Reza Chamani
محمدرضا چمنی (استاد راهنما)
STUDENT
Farnaz Binazadeh
فرناز بینازاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Analytical model for pressure flow scour using turbulent jet characteristics
In this dissertation, the theory of jet is employed to present an analytical model for calculating maximum scour depth under pressure flow conditions below bridge deck in submerged regime. This thesis is generally divided into two parts. In the first part, an analytical model is developed by considering only the blockage created by the bridge deck (without bridge pier). The analytical model proposed by Hoffmans (2009) for a stationary fluid volume is extended to include the running flow unserneath the bridge deck. The flow underneath the deck was simulated as a jet flow, and the velocities in the shear stress equation were calculated using near-bed jet velocity equation. Substituting the velocity into the shear stress equation and including the forces in the control volume, the momentum momentum was applied along the vertical direction. Using the existing experimental data and comparing bed shear stress and critical shear stresses, an equation was obtained for the correction factor appeared in the momentum equation. By back substituting this factor into the equation of momentum, a polynomial equation was obtained for calculating the maximum scour depth. In the second part, the effect of the presence of bridge pier on pressure flow scour was investigated. Considering the effect of the pier on the flow within the scour hole and upstream flow, equations were developed to calculate mean velocity under the deck. Jet flow was considered for two cases; developing and and fully developed flow regions. For each case, two different equations were obtained to calculate the near-bed velocity. The equation of momentum was applied and two separate equations were obtained for calculating the maximum scour depth. The procedure for calculating coefficients of the equations was the same as that followed in the first part. In the second approach, the entire flow beneath the deck was taken as a downward flow, with the equation of momentum written for the zone beneath the deck. Experimental data was used to calculate the friction coefficients in the shear stress equation. Finally, the obtained results from the presented equations were compared against experimental data. In the pressure flow scour of the deck, 66% of the calculated results fell within -33% to +55% of error with reference to the experimental data. When pressure flow scour of the pier was concerned, 52% and 55% of the results fell within the same range of error in fully developed flow and developing flow, respectively. The results obtained from the three cases (deck scour and pier scour of developing flow and fully developed flow) generally exhibited the same trends in terms of Froude number and deck distancee to original bed as those of experimental data. In the second approach (pressure flow scour of the bridge pier), the develoed relationship for scour depth was evaluated as inappropriate due to inconsistency of the obtained results with the experimental values of friction coefficient. Keywords: Pressure flow scour, Submerged regime, Jet flow, Deck submergence, Bridge pier, Equation of momentum.
در این پایاننامه با بهرهگیری از تئوری جت، مدلی تحلیلی برای محاسبهی حداکثر عمق آبشستگی در شرایط رژیم مستغرق تحتفشار در زیر پلها ارائه شده است. این پایاننامه بهطور کلی به دو بخش تقسیم شده است. در بخش اول مدل تحلیلی تنها با درنظر گرفتن انسداد ایجاد شده توسط عرشهی پل توسعه داده شده است. با درنظر گرفتن حفرهی آبشستگی ایجاد شده در زیر عرشه بهعنوان حجم کنترل، معادلات اندازهحرکت حاکم بر آن بررسی شد. برای اینکار از مدل تحلیلی هافمنز (2009) که آبشستگی جت در سیال ساکن را بررسی کرده است، استفاده شد. جریان زیر عرشه مشابه جریان جت شبیهسازی شد و برای محاسبهی سرعت موجود در معادلهی تنش برشی از معادلهی سرعت جت در نزدیکی بستر استفاده شد. با جایگذاری این سرعت در معادلهی تنش برشی و بررسی سایر نیروهای وارده شده به حجم کنترل، معادلهی اندازهحرکت در راستای عمودی نوشته شد. با استفاده از دادههای آزمایشگاهی موجود و مقایسهی معادلات تنش برشی بستر و تنش برشی بحرانی، معادلهای برای ضریب تصحیح بهدست آمد. با جایگذاری این ضریب در معادلهی اندازهحرکت، معادلهی چند جملهای برای محاسبهی عمق آبشستگی حاصل شد. با حل این معادله توسط نرمافزار متمتیکا، عمق آبشستگی بهدست آمد. در بخش دوم اثر وجود پایهی پل بر روی آبشستگی تحت فشار بررسی شد. باتوجه به اثر ایجاد شده توسط پایه بر روی جریان در حفرهی آبشستگی و جریان بالادست، معادلاتی برای محاسبهی سرعت در زیر عرشه توسعه داده شد. جریان جت در دوحالت جریان درحال توسعه و جریان توسعهیافته بررسی شد و برای هر یک از حالتها، دو معادلهی متفاوت برای محاسبهی سرعت در مجاورت بستر بهدست آمد. باتوجه به تغییرات بهوجود آمده ناشی از وجود پایه در حفرهی آبشستگی، معادلهی اندازه حرکت نوشته شد و دو معادلهی مجزا برای محاسبهی عمق آبشستگی بهدست آمد. روند محاسبهی ضرایب این معادلات مشابه بخش اول است. همچنین، رویکرد دیگری برای محاسبهی عمق آبشستگی با وجود پایه درنظر گرفته شد. در این رویکرد کلیهی جریان در زیر عرشه بهصورت یک جریان رو به پایین درنظر گرفته شد و معادلهی اندازهحرکت در زیر عرشه باتوجه به این فرض نوشته شد. در این رویکرد تمامی اندازهحرکت ورودی به صورت عمودی به حجم کنترل وارد شد. برای محاسبهی ضریب اصطکاک موجود در معادلهی تنش برشی از رگرسیون دادههای آزمایشگاهی استفاده شد. در نهایت دادههای بهدست آمده از معادلات ارائه شده با دادههای آزمایشگاهی مقایسه شد. در بخش آبشستگی تحتفشار عرشه، 66 درصد از دادههای محاسبه شده در محدودهی 33- و 55+ درصد خطا نسبت به دادههای آزمایشگاهی قرار داشت. در آبشستگی تحتفشار پایهی پل، در جریان درحالتوسعه 52 درصد و در جریان توسعهیافته 55 درصد دادهها در این محدوده قرار داشت. دادههای بهدست آمده از هر سه معادلهی آبشستگی عرشه، آبشستگی پایه در جریان درحال توسعه و جریان توسهیافته بهطور کلی روندی مشابه با دادههای آزمایشگاهی را در مقایسه با تغییرات عدد فرود و فاصلهی زیر عرشه از بستر اولیه نشان میدهند. در رویکرد دوم آبشستگی تحتفشار پایهی پل، بهدلیل عدم تطابق ضرایب بهدست آمده و مقادیر آزمایشگاهی ضریب اصطکاک، رابطهی عمق آبشستگی بهدست آمده مناسب نبود. کلمات کلیدی: آبشستگی تحتفشار، رژیم مستغرق، جریان جت، استغراق عرشه، پایهی پل، معادلات اندازهحرکت