مطالعه‌ای بر روش‌های شناسایی ساختارهای منسجم در جریان کانال روباز با بستر غیر صاف (نقدی بر آنالیز کوآدرانت)

نوع مقاله: مقاله کامل

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران

2 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

چکیده

ساختارهای منسجم در جریان­های لایه مرزی موجب انتقال مومنتم­ های جریان و تولید انرژی آشفتگی می­شوند. در شرایط توسعه یافتگی کامل جریان و در بالای زیر لایه لزج، ساختارهای منسجمی مانند پدیده­های جهش و جاروب و نیز گردابه­ های سنجاقی تشکیل می­شوند. به منظور شناسایی این ساختارهای آشفته روش­های گوناگونی مانند آنالیز کوآدرانت و بررسی مقادیر لحظه­ای سرعت سیال مورد استفاده قرار می‌گیرند. در مطالعه حاضر به بررسی دقت و کارایی این روش­ها در جریان سطح آزاد روی بستر غیر صاف پرداخته می­شود. بدین منظور میدان جریان در یک بستر شنی به روش سرعت ­سنجی تصویری ذرات اندازه­ گیری شده است. بررسی نتایج مطالعه حاضر نشان می­دهد که با وجود قابلیت هر دو روش در تشخیص و شناسایی ساختارهای جهش و جاروب در نقاط با فاصله اندک از بستر، نتایج حاصله در نزدیکی و در بین المان­های زبر بستر با یکدیگر متفاوت می ­باشند. این واقعیت از آنجا ناشی می­ شود که از نقطه نظر مفهومی به علت غیرصفر بودن مؤلفه قائم متوسط سرعت و نیز ماهیت سه بعدی جریان در شرایط بستر غیر صاف، استفاده از روش کوآدرانت صحیح به نظر نمی ­رسد. برهمین اساس پیشنهاد می­ شود که در شرایط بستر غیر صاف برای تشخیص ساختارهای جهش و جاروب از روش بررسی مقادیر لحظه­ ای سرعت جریان و یا روش بهبود یافته آنالیز کوآدرانت استفاده شد.
 

کلیدواژه‌ها


مهاجری، س. ح. (1393). "مطالعه‌ای بر روش‌های تعیین زبری یک بستر شنی". نشریه هیدرولیک. دوره 9، شماره 4، ص.ص. 73-86.

مهرآئین، م.؛ نوربخش، م. و قدسیان، م. (1394). "بررسی میدان جریان آشفته اطراف آبشکن T شکل مستغرق". نشریه هیدرولیک. دوره 15، شماره 3، ص.ص. 178-171.

Adrian, R., Christensen, K. and Liu, Z. (2000). “Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields”. Experiments in Fluids. 29, pp. 275–290.

Adrian, R. and Marausic, I. (2012). “Coherent structures in flow over hydraulic engineering surfaces”. Journal of Hydraulic Research. 50 (5), pp. 451–464.

Adrian, R. and Liu, Z. (2002). “Observation of vortex packets in direct numerical simulation of fully turbulent channel flow”. Journal of Vision 5(1), pp. 9-19.

Bogard, D. G. and Tiederman, W. (1986). “Burst detection with single-point velocity measurements”. Journal of Fluid Mechanics. 162, pp. 389-413.

Bomminayuni, S. and Stoesser, T. (2011). “Turbulence statistics in an open-channel flow over a rough bed”. Journal of Hydraulic Enginnering. 137(11), pp. 1347-1358.

Buffin-Bélanger, T., Rice, S., Reid, I. and Lancaster, J. (2006). “Spatial heterogeneity of near-bed hydraulics above a patch of river gravel”. Water Resources Research. 42(4), W04413.

Cantwell, B. J. (1981). “Organized motion in turbulent flow”. Annual Review of Fluid Mechanics. 13(1), pp. 457-515.

Cooper, J. and Tait, S. (2010). “Spatially representative velocity measurement over water-worked gravel bed”. Water Resources Research. 46(11), W11559.

Detert, M., Nikora, V. and Jirka, G. (2010). “Synoptic velocity and pressure fields at the water–sediment interface of streambeds”. Journal of Fluid Mechanics. 660, pp. 55-86.

Di Florio, D., Di Felice, F. and Romano, G. P. (2002). “Windowing, re-shaping and re-orientation interrogation windows in particle image velocimetry for the investigation of shear flows”. Measurement Science and Technology, 13, pp. 953-962.

Duràn, A., Flores, O. and Jiménez, J. (2012). “The three-dimensional structure of momentum transfer in turbulent channels”. Journal of Fluid Mechanics. 694, pp. 100–130.

Hardy. R., Best, J. L. S. and Carbonneau, P. (2009). “Coherent flow structures in a depth-limited flow over a gravel surface: The role of near-bed turbulence and influence of Reynolds number”. Journal of Geophysical Research: Earth Surface. 114(F1), F01003.

Hussain, F. (1983). “Coherent structures- reality and myth”. Journal of Physics of Fluids. 26(10), pp. 2816-2850.

Hutchins, N. and Marusic, I. (2007). “Evidence of very long meandering streamwise structures in the logarithmic region of turbulent boundary layers”. Journal of Fluid Mechanics. 579, pp. 1–28.

Lu, S. and Willmarth, W. (1973). “Measurements of the structure of the Reynolds stress in a turbulent boundary layer”. Journal of Fluid Mechanics. 60 (3), pp. 481-511.

Mignot, E., Hurther, D. and Barthelemy, E. (2009). “On the structure of shear stress and turbulent kinetic energy flux across the roughness layer of a gravel-bed channel flow”. Journal of Fluid Mechanics. 638, pp. 423–452.

Mohajeri, S. H. (2014). “Hydrodynamics of gravel bed flows (Implications in colmation)”. PhD Thesis, Department of Civil, Mechanics and Environmental Engineering, University of Trento and School of Geography, Queen Mary University of London. 

Mohajeri, S. H., Grizzi, S., Righetti, M., Romano, G. P. and Nikora, V. (2015). “The structure of gravel-bed flow with intermediate submergence: A laboratory study”. Journal of Water Resources Research, 51 (11), pp. 9232–9255.

Monin, A. and Yaglom, A. (1971). “Statistical Fluid Mechanics - Vol. 1: Mechanics of Turbulence”. The MIT Press.

Nezu, I. and Nakagawa, H. (1993). “Turbulence in Open-Channel Flows”. A.A. Balkema.

Nikora, V., Goring, D. and Biggs, B. (1998). “Silverstream eco-hydraulics flume: hydraulic design and tests”. New Zealand Journal of Marine and Freshwater Research. 32, pp. 607-620.

Pope, S. (2000). “Turbulent Flows”. Cambridge University Press.

Prasad, A., Adrian, R., Landreth, C. and Offutt, P. (1992). “Effect of resolution on the speed and accuracy of particle image velocimetry interrogation”. Experiments in Fluids. 13, pp. 105-116.

Raupach, M. (1981). “Conditional statistics of Reynolds stress in rough-wall and smooth-wall turbulent boundary layers”. Journal of Fluid Mechanics. 108, pp. 363-382.

Theodorsen, T. (1952). “Mechanism of turbulence”. Proceeding of 2nd Midwest. Conf. Fluid Mechanics, Ohio State University, Columbus.

Townsend, A. (1976). “The Structure of turbulent shear flow”. 2nd edition. Cambridge University Press, Cambridge.

Willmarth ,W. and Lu, S. (1972). “Structure of the Reynolds stress near the wall”. Journal of Fluid Mechanics. 55(01), pp. 65-92.