Experimental Investigation of the Flow Pattern and Delta Characteristics under Steady and Unsteady Flow

Document Type : Research Article

Authors

1 Ph.D. Student, Faculty of Civil and Environmental Eng., Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

2 Professor, Faculty of Civil and Environmental Eng., Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

3 Professor, Faculty of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

Abstract

In the present research, the formation and development of the delta and the interaction of the flow pattern and sediment in the reservoir under steady and unsteady flow condition of water and sediment is experimentally investigated. Laboratory observations showed that in spite of the perfect symmetry of the geometry and hydraulic conditions of the model, the flow at the reservoir entrance is randomly diverted to one side and an asymmetric but stable flow is created at the reservoir entrance. The sediment entry and its deposition in the reservoir leads to an unstable flow and a change in flow direction. The instability in unsteady flow is more severe than under steady flow condition. The results showed that with the growth of the delta, the deviation of delta decreases and approaches the symmetry. Delta development takes place in longitudinal and transvers directions and the maximum elongation of delta is about 0.8 at the initial stages, and decreases with delta development. An equation is developed for time of change in direction of flow in terms of the specific parameter of the hydrograph. In order to study the sedimentation pattern, non-dimensional parameters such as the length of delta (Xt*), deviation ratio (ψ) and delta elongation (η) are introduced. An equation is developed to estimate the length of delta using non-dimensional parameters.

Keywords


اشرف واقفی، س. (1387). "بررسی پارامترهای مؤثر بر عملیات فلاشینگ از مخازن سدها و تأثیرآنها در موفقیت عملیات"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده فنی، دانشگاه تهران.
چگنی­زاده، ا. (1384). "بررسی آزمایشگاهی رسوب‌گذاری درمخازن سدها و تشکیل دلتا"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده فنی، دانشگاه تهران.
حمزه قصاب سرایی، م. (1388). "مطالعه آزمایشگاهی الگوی جریان ورودی به مخزن سد در تبدیل تدریجی و تأثیر آن در پیشروی و شکل دلتا"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تربیت مدرس.
حیدری، م.، ایوب­زاده، س. ع. و رضوی طوسی، س. ل. (1391). "بررسی آزمایشگاهی تأثیر زمان عبور هیدروگراف سیل بر روی پیشروی و شکل دلتا در حالت وجود دانه­بندی­های مختلف مصالح رسوبی"، مجله هیدرولیک، دوره 8، شماره‌ی 4، ص‌ص. 1-12.
خسروپور، ح.، بنی­هاشمی، م. ع.، صفی­یاری، ا. (1387). "مقایسه‌ی نتایج پیشروی دلتای رسوب در مخزن سد در مدل آزمایشگاهی با مدل عددی مشابه با استفاده از نرم افزار HEC-RAS"، دومین کنفرانس ملی نیروگاههای آبی کشور، تهران.
زایری، م.، قمشی، م.، شفاعی بجستان، م.، و فتحی، ا. (1395). "بررسی آزمایشگاهی تأثیر ارتفاع دریچه‌ی تخلیه کننده بر غلظت جریان غلیظ خروجی"، مجله تحقیقات منابع آب ایران، دوره 12، شماره‌ی 3، ص‌ص. 180-188.
زینی­وند، م.، کاشفی­پور، س. م. و قمشی، م. (1396). "بررسی آزمایشگاهی اثر تخلخل صفحات نفوذ پذیر بر کنترل جریان غلیظ"، مجله علوم و مهندسی آبیاری، دوره 40، شماره‌ی 1، ص‌ص. 13-24.
صدیق­کیا، م.، ایوب­زاده، س. ع. و مامی­زاده، ج. (1391). "بررسی آزمایشگاهی تأثیر وجود ذرات غیریکنواخت رسوبی بر روی پیشروی و شکل دلتا در جریان ماندگار و غیرماندگار"، علوم و مهندسی آبیاری، جلد 35، شماره‌ی­ 3.
صدیق­کیا، م.، ایوب­زاده، س. ع.، حیدری، م.، مامی­زاده، ج. و جعفرزاده، ا. (1395). "مطالعه آزمایشگاهی تأثیر غیریکنواختی ذرات رسوبی بر پیشروی دلتای رسوبی در مخزن"، نشریه علمی- پژوهشی امیرکبیر، دوره 48، شماره‌ی 2، ص‌ص. 161 تا 167.
صفی­یاری، ا. و بنی هاشمی، م. ع. (1388). "مطالعه آزمایشگاهی پیشروی زبانه رسوبی در مخزن"، نشریه دانشکده فنی، دوره43، شماره‌ی4، ص‌ص. 383-394.
عسگری، م. (1390). "بررسی تاثیر زاویه واگرایی ورودی مخازن سدها بر میزان و الگوی پیشروی رسوب در مخزن؛ مطالعه موردی: مخازن سدهای سفید رود، لتیان، میناب و دز"، پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس."
کاشفی پور، س.، م.، شفاعی بجستان، م. و اسماعیلی، ک. (1388). بررسی روند انتقال بار کف در رودخانه فصلی ناشی از سیلاب ناگهانی، وزارت نیرو، شورای تحقیقات سد و نیروگاه.
کردنائیج، م.، اصغری‌پری، س. ا.، سجادی، س. م. و شفاعی بجستان، م. (1396). "مقایسه‌ی‌ آزمایشگاهی اثر صفحات متخلخل و موانع متخلخل در کنترل جریان غلیظ"، مجله دانش آب و خاک، دوره 27، شماره‌ی 1، ص‌ص. 43-54.
کشتکار، ش.، ایوب­زاده، س. ع. و قدسیان، م. (1396). "مطالعه‌ی آزمایشگاهی اثر ارتفاع مانع در مهار سرعت جریان گل‌آلود در شرایط تغییر ناگهانی شیب بستر مخزن"، فصلنامه علمی- پژوهشی مهندسی منابع آب، دوره 10، شماره‌ی 32، ص‌ص. 55-70.
مامی­زاده، ج.، بنی­هاشمی، م. ع.، ایوب­زاده، س. ع.، صالحی نیشابوری، س. ع. ا. و جمشیدی، ر. (1387). "مطالعه آزمیشگاهی اثر تراز آب مخزن و مشخصات هیدرولیکی و رسوبی دهانه ورودی مخزن بر سرعت پیشروی دلتا"،  مجله علوم کشاورزی و منابع طبیعی، دوره 15، شماره‌ی 5، ص‌ص. 191 تا 202.
مامی­زاده، ج. (1388). "مطالعه آزمایشگاهی الگوی جریان ورودی به مخزن سد در تبدیل تدریجی و تأثیر آن در پیشروی و شکل دلتا"، رساله دکتری، رشته سازه­های آبی، دانشگاه تربیت مدرس.
منصوری هفشجانی، م.، قمشی، م.، شفاعی بجستان، م. و  احدیان، ج. (1395). "تخمین سرعت نسبی پیشانی جریان غلیظ برای سیال پیرامون متحرک هم جهت با حرکت جریان غلیظ"، مجله علوم و مهندسی آبیاری، دوره 39، شماره‌ی 4، ص‌ص. 193-200.
یوسفوند، ف.، میرکاظمی، س. ع.، صادقی، س.، ایوب­زاده، س. ع. و صدیق­کیا، م. (1394). " بررسی آزمایشگاهی تأثیر بار معلق رسوبی بر روی پیشروی و شکل دلتا در مخزن سد"، دومین کنفرانس سراسری توسعه­ی محوری مهندسی عمران، معماری، برق و مکانیک ایران، گرگان.
Bombar G., Elci S., Tayfur G., Guney M.S. and Bor A. (2011). “Experimental and numerical investigation of bed load transport under unsteady flows”, J. Hydraulic Eng. Vol. 137, No. 10, pp. 1276–1282.
Camnasio E., Orsi E. and Schleiss J. (2011). “Experimental study of velocity fields in rectangular shallow reservoirs”, Journal of Hydraulic Research Vol. 49, No. 3, pp. 352–358.
Camnasio E., Erpicum S., Orsi E., Pirotton M., Schleiss J. and Dewals B. (2013). “Coupling between flow and sediment deposition in rectangular shallow reservoirs”, Journal of Hydraulic Research, Vol. 51, No. 5, pp. 535–547.
Cherdron W., Durst F. and Whitelaw JH. (1978). “Asymmetric flows and instabilities in symmetric ducts with sudden expansions”, Journal of Fluid Mech., 84(1), 13-31.
Chiang T.P., Sheu W.H. and Wang S.K. (2000). “Side wall effects on the structure of laminar flow over a plane-symmetric sudden expansion”, Computers and Fluids, 29, 467-492.
Dewals B.J., Kantoush S.A., Erpicum S., Pirotton M. and Schleiss A.J. (2008). “Experimental and numerical analysis of flow instabilities in rectangular shallow basins”, Environ. Fluid Mech. 8:31–54.
Dufresne M., Dewals B.J., Erpicum S., Archambeau P. and Pirotton M. (2010a). “Experimental investigation of flow pattern and sediment deposition in rectangular shallow reservoirs”, International Journal of Sediment Research, Vol. 25, No. 3, pp. 258–270.
Dufresne M., Dewals B.J., Erpicum S., Archambeau P. and Pirotton M. (2010b). “Classification of flow patterns in rectangular shallow reservoirs”, Journal of Hydraulic Research Vol. 48, No. 2, pp. 197–204.
Durst F., Melling A. and Whitelaw J. H. (1974). “Low Reynolds number flow over a plane symmetric sudden expansion”, J. Fluid Mech., Vol. 64, part 1, pp. 111-128.
Fan J. and Morris G. (1992). “Reservoir sedimentation, I: delta and density current deposits, Journal of Hydraulic Engineering”, Vol. 118, No.3, pp. 354-369.
Fearn R. M., Mullin T. and Cliffe K. A. (1990). “Nonlinear flow phenomena in a symmetric sudden expansion”, J. Fluid Mech., 211, 595-608.
Jugovic C. J., Schuster G. and Nachtnebel H. P. (2005), “Aggradation of reservoirs in alpine regions”, International Symposium on Water Management and Hydraulic Engineering, Otteinstein, Austria.
Kantoush, S.A. (2008). “Experimental study on the influence of the geometry of shallow reservoirs on flow patterns and sedimentation by suspended sediments”, PhD Thesis, 4048, EPFL, Lausanne, Switzerland.
Karimaee Tabarestani, M. and Zarrati A. R. (2014). “Sediment transport during flood event: a review”, Int. J. Environ. Sci. Technol., Vol. 12, Issue 2, Pages 775-788.
Kostic S. and Parker G. (2003). “Progradational sand-mud deltas in lakes and reservoirs, Part 2, experimental and numerical simulation”, Journal of Hydraulic Research, Vol. 4, No. 2, pp. 127-140.
Lai S. Y. J. and Capart H. (2007). “Two-diffusion description of hyperpycnal deltas”, J. Geophys. Res., 112, F03005.
Lai S. Y. J. and Capart H. (2008). “Response of hyperpycnal deltas to a steady rise in base level”, 5th IAHR Symposium on River, Coastal and Estuarine Morphodynamics, The Netherlands.
Lai S. Y. J. and Capart H. (2009). “Reservoir infill by hyperpycnal deltas over bedrock”, Geophys. Res. Lett., 36, L08402.
Lee K.T., Liu Y. and Cheng K., (2004), “Experimental investigation of bed load transport processes under unsteady flow conditions”, Hydrol. Process. 18, pp. 2439–2454.
Mamizadeh J., Ayyoubzadeh S. A. and Banihashemi M. A. (2012). “Experimental study of hydraulic-sediment properties on deltaic sedimentation in reservoirs”, International Research Journal of Applied and Basic Sciences. Vol. 3 (4), pp. 810-816. 
Morris G. and Fan J. (1998). Reservoir sedimentation handbook, design and management of dams, reservoirs, and watersheds for sustainable use, Mcgraw- Hill Companies, Washington. 1800p.
Qu, Z. (2003). Unsteady open-channel flow over a mobile bed, Doctoral dissertation, no. 2688, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Lausanne, Switzerland.
Shapira M., Degani D. and Weihs D. (1990). “Stability and existence of multiple solutions for viscous flow in suddenly enlarged channels”, Computers and Fluids, 18, 3, 239-258.
Shieh C., Tseng C. and Hsu M. (2001). “Development and geometric similarity of alluvial deltas”, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 127, No. 1, P.P. 17-29.
Sloff, C. J. (1991). “Reservoir sedimentaion,: a literature survey”, Communication on Hydraulic and Geotechnical Engineering, Delft University of Technology.
Sobey I. J. (1985). “Observation of waves during oscillatory channel flow”, J. Fluid Mech. 151, 395-426.
 
Swenson, J. B., Voller, V. R., Paola, C., Parker, G. and Marr, J. G. (2000). “Fluvio-deltaic sedimentation: A generalized Stefan problem”, European Journal of Applied Mathematics, 11(5), 433-452.
Van Rijn, L.C. (1993). Principles of sediment transportin rivers, estuaries and coastal seas, Amesterdam, Aqua Publication.
  • Receive Date: 28 May 2017
  • Revise Date: 02 December 2017
  • Accept Date: 03 December 2017
  • First Publish Date: 21 March 2018