انتقال بار بستر تحت رژیم پرش رسوبات در جریان آشفته بخش اول: توسعه مدل

نوع مقاله: مقاله کامل

نویسندگان

1 دکتری مهندسی عمران، دانشگاه تربیت مدرس

2 استاد دانشکده عمران و محیط‌زیست و پژوهشکده مهندسی آب، دانشگاه ترییت مدرس

3 استاد دانشکده مهندسی مکانیک و هوانوردی، دانشگاه کلارکسون

چکیده

در پژوهش حاضر یک مدل عددی سه ­بعدی برای شبیه‌سازی حرکت دانه­های رسوب بر مبنای رویکرد اویلری-لاگرانژی توسعه داده‌ شده است. نیروهایی که بر دانه ­های رسوب وارد می­گردند شامل درگ، لیفت برشی، لیفت چرخشی (مگنوس)، شناوری، جرم اضافه‌ شده، تاریخی بست و همچنین گشتاور چرخشی هستند. معادلات دیفرانسیل مومنتم غیرخطی مرتبه دوم برای محاسبه سرعت­های خطی و زاویه­ای و همچنین موقعیت دانه ­های رسوب استفاده ‌شده‌اند. علاوه بر اینکه نوسانات جریان آشفته در سه جهت در مدل گنجانده‌ شده است، قابلیت شبیه‌سازی حرکت دانه­ های رسوب به‌صورت پرش‌های متوالی از طریق یک مدل برخورد رسوبات در نظر گرفته ‌شده است. این دو عامل منجر به ماهیت کاملاً تصادفی مدل می‌شوند. صحت­ سنجی مدل توسعه داده از طریق بررسی اثر حداقل تعداد پرش لازم برای استقلال آماری نتایج و همچنین مقدار گام زمانی انجام‌ شده است. اعتبار سنجی مدل با مقایسه داده­های معتبر آزمایشگاهی با نتایج مدل برای محدوده­ی ماسه ریز تا شن درشت در ارتباط با پارامترهای مختلف انتقال رسوب شامل طول پرش، ارتفاع پرش و سرعت متوسط پرش انجام‌ شده است. به‌منظور بررسی صلاحیت مدل مفهومی اثر حذف برخی از نیروها و نوسانات جریان آشفته که در مطالعات پیشین بر روی استفاده از آن‌ها اتفاق‌ نظری نبوده، مطالعه شده است. نتایج حاکی از آن است که مدل توسعه داده‌ شده قابلیت آن را دارد که به‌عنوان یک آزمایشگاه عددی برای بررسی عوامل مختلف مؤثر بر انتقال رسوب در مرحله پیش­بینی مورد استفاده قرار گیرد. این موضوع در بخش دوم این سری مقالات مد نظر قرار گرفته است.

کلیدواژه‌ها


سرشتی، ف. و کلاهدوزان، م. (1392). "بررسی تأثیر نیروهای هیدرودینامیکی مؤثر بر حرکت ذرات رسوب برای جریان سیال در کانال‌ها،" نشریه هیدرولیک، 8(2)، 41-56.‎

کبورانی، س. و شانه‌ساززاده، ا. (1392). "شبیه‌سازی و بررسی اثر عوامل مؤثر بر حرکت تصادفی ذرات رسوب بار بستر در جریان ماندگار،" مهندسی عمران مدرس، 14(1), 95-104.‎

مهدیزاده، س. س. (1387). "بررسی آزمایشگاهی حرکت ذره رسوبی در نزدیکی بستر با استفاده از دستگاه PIV"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.

نصراللهی، ع. (1389). "شبیه‌سازی عددی انتقال بار بستر با استفاده از جریان دوفازی اولری-لاگرانژی"، رساله دکتری، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.

Abbott, J. E., and Francis, J. R. D. (1977). “Saltation and suspension trajectories of solid grains in a water stream.” Philosophical Transactions of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 284(1321), 225-254.

Bagnold, R. A. (1973). “The nature of saltation and of 'bed-load' transport in water.” Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences, 332(1591), 473-504.

Barati, R., Salehi Neyshabouri, S. A. A., and Ahmadi, G. (2014). “Development of empirical models with high accuracy for estimation of drag coefficient of flow around a smooth sphere: an evolutionary approach,” Powder Technology, 257, 11-19.

Crowe, C. T., Schwarzkopf, J. D., Sommerfeld, M., and Tsuji, Y. (2011). Multiphase flows with droplets and particles. CRC Press.

Francis, J. R. D. (1973). “Experiments on the motion of solitary grains along the bed of a water-stream.” In Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 332(1591) 443-471.

García, M. H. (Ed.). (2008). Sedimentation engineering: processes, measurements, modeling, and practice (No. 110). ASCE Publications.

Gosman, A. D., and Loannides, E. (1983). “Aspects of computer simulation of liquid-fueled combustors,” Journal of Energy, 7(6), 482-490.

Ji, C., Ante, M., Eldad, A., Xu, D., and John, W. (2014). “Numerical investigation of particle saltation in the bed-load regime,” Science China Technological Sciences, 57(8), 1500-1511.

Lee, H. Y., and Hsu, I. S. (1994). “Investigation of saltating particle motions.” Journal of Hydraulic Engineering, 120(7), 831-845.

Lee, H. Y., Chen, Y. H., You, J. Y., and Lin, Y. T. (2000). “Investigations of continuous bed load saltating process,” Journal of Hydraulic Engineering, 126(9), 691-700.

Lee, H. Y., Lin, Y. T., Yunyou, J., and Wenwang, H. (2006). “On three-dimensional continuous saltating process of sediment particles near the channel bed,” Journal of Hydraulic Research, 44(3), 374-389.

Lukerchenko, N., Piatsevich, S., Chara, Z., Vlasak, P., Chára, Z., and Vlasák, P. (2009). “3D numerical model of the spherical particle saltation in a channel with a rough fixed bed,” Journal of Hydrology and Hydromechanics, 57(2), 100-112.

Maxey, M. R., and Riley, J. J. (1983). “Equation of motion for a small rigid sphere in a nonuniform flow,” Physics of Fluids, 26(4), 883-889.

Murphy, P. J., and Hooshiar H. (1982). “Saltation in water dynamics,” Journal of the Hydraulics Division, 108(11), 1251-1267.

Nezu, I. (1977). Turbulent structure in open-channel flows. PhD Thesis, Kyoto University, Kyoto, Japan.

Niño, Y. (1995). Particle motion in the near bed region of a turbulent open channel flow: implications for bedload transport by saltation and sediment entrainment into suspension, PhD Thesis, University of Illinois, USA.

Niño, Y., and García, M. (1998). “Using Lagrangian particle saltation observations for bedload sediment transport modelling, ” Hydrological Processes, 12(8), 1197-1218.

Niño, Y., and García, M. (1994). “Gravel saltation: 2. Modeling,” Water Resources Research, 30(6), 1915-1924.

Oberkampf, W. L., Sindir, M. M., and Conlisk, A. T. (1998). Guide for the verification and validation of computational fluid dynamics simulations. American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA).

Papanicolaou  A. N., Elhakeem M., Krallis G., Prakash S. and Edinger J. (2008). “Sediment transport modeling review—current and future developments,” Journal of Hydraulic Engineering (ASCE), 134(1), 1-14.

Reizes, J. A. (1978). “Numerical study of continuous saltation,” Journal of the Hydraulics Division, 104(9), 1305-1321.

Sekine, M., and Kikkawa, H. (1992). “Mechanics of saltating grains. II,” Journal of Hydraulic Engineering, 118(4), 536-558.

Tian, L., and Ahmadi, G. (2007). “Particle deposition in turbulent duct flows—comparisons of different model predictions,” Journal of Aerosol Science, 38(4), 377-397.

Tsuchiya, Y. (1969). “Mechanics of the successive saltation of a sand particle in a turbulent stream,” Bull. Dis. Pre. Res. Inst., Kyoto Univ., 19(152), 31-44.

Tsuji, Y., Oshima, T., and Morikawa, Y. (1985). “Numerical simulation of pneumatic conveying in a horizontal pipe,” KONA Powder and Particle Journal, 3, 38-51.

van Rijn, L. C. (1984). “Sediment transport, part I: bed load transport.” Journal of Hydraulic Engineering, 110(10), 1431-1456.

 

Wiberg, P. L., and Smith, J. D. (1985). “A theoretical model for saltating grains in water,” Journal of Geophysical Research: Oceans (1978–2012), 90(C4), 7341-7354.

Yalin, M. S. (1992). River mechanics. Pergamon Press, New York. 

Yeganeh-Bakhtiary, A., Shabani, B., Gotoh, H., and Wang, S. S. (2009). “A three-dimensional distinct element model for bed-load transport” Journal of Hydraulic Research, 47(2), 203-212