«یادداشت تحقیقاتی» مدل‌سازی عددی دو بعدی امواج غلتان روی شوت‌ها و بررسی عوامل مؤثر بر تشکیل آنها

نوع مقاله: یادداشت تحقیقاتی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد سازه‌های هیدرولیکی، بخش مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید باهنر کرمان

2 استادیار بخش مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید باهنر کرمان

چکیده

امواج غلتان با ایجاد ناپایداری‌ها و رفتار آشفته در کانال‌ها و شوت‌ها، سازه‌ هیدرولیکی و سازه‌های مستهلک کننده‌ی انرژی پایین‌دست آن را تحت تأثیر قرار می‌دهند. تحقیق حاضر با هدف ارائه‌ی مدل عددی برای مدل‌سازی امواج غلتان در رژیم آشفته و تحلیل شرایط شکل‌گیری امواج غلتان در سطح آزاد جریان و عوامل مؤثر بر آن انجام شده است. معادلات حاکم در مدل عددی حاضر، معادلات ناویر استوکس متوسط گیری شده در عمق هستند که با استفاده از روش حجم محدود منقطع سازی شده‌اند. در تحقیق حاضر، از روش HLLC برای مدل‌سازی استفاده شده است. سپس به منظور افزایش دقت، روش TVD-WAF که دارای دقت مرتبه دوم در مکان و زمان می‌باشد، انتخاب شده است. به منظور مدل‌سازی آشفتگی، مدل k- e استاندارد انتخاب شده است. نتایج حاصل از مدل عددی حاضر با نتایج آزمایشگاهی و تحلیلی موجود مقایسه شده‌اند. نتایج نشان می‌دهند که اعمال اغتشاش منظم در ورودی کانال می‌تواند باعث ایجاد امواج غلتان متناوب شود و دامنه و دوره‌ی تناوب این امواج غلتان متناوب به دامنه‌ی اغتشاش اعمال شده در ورودی کانال بستگی ندارد. اما هرچه دامنه‌ی اغتشاش اعمال شده درصد بزرگتری از عمق نرمال باشد، فاصله‌ی تشکیل امواج غلتان از ابتدای کانال کوتاهتر شده و امواج سریعتر تکامل می‌یابند. به علاوه تحلیل و مقایسه نتایج نشان‌دهنده تأثیر عدد فرود در شکل‌گیری و تکامل امواج غلتان است.

کلیدواژه‌ها


Bazargan, J. and Aghebatie, B. (2015). "Numerical analysis of roll waves in chutes". J. Water Science and Technology. 15(3), pp. 517-524.

Brock, R. R. (1967). “Development of roll wave in open channels”, PhD thesis, University of California Institute of Technology, USA.

Dressler, R. F. (1949) "Mathematical solution of the problem of roll waves in inclined channel flows". Communications on Pure and Applied Mathematics. 2, pp. 149–194.

Dressler, R. F. and Pohle, F. V. (1953). "Resistance effects on hydraulic instability". Communications on Pure and Applied Mathematics. 6(1), pp. 93-96.

Huang, Z. (2013). “Open channel flow instabilities modeling the spatial evolution of roll waves”, PhD Thesis, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, China.

Huang, Z. and Lee, J. J. (2014). "Numerical investigation on roll-wave properties: wave-wave interactions, generality, and spectrum". J. Engineering Mechanics. 141(2), pp. 060140181-060140188.

Iwasa, Y. (1954). "The criterion for instability of steady uniform flows in open channels". Memoirs of the Faculty of Engineering, Kyoto University, Japan. 16(6), pp. 264-275.

Liu, K. F. and Mei, C. C. (1994). "Roll waves on a layer of a muddy fluid flowing down a gentle slope-A Bingham model". Physics of Fluid. 6(8), pp. 2577-2590.

Montes, S. (1998). Hydraulics of Open Channel Flow. ASCE Press. USA.

Que, Y. T. and Xu, K. (2006). "The numerical study of roll-waves in inclined open channels and solitary wave run-up". International Journal for Numerical Methods in Fluids. 50(9), pp. 1003-1027.

Richard G. L. and Gavrilyuk, S. L. (2012). "A new model of roll wave: comparision with Brock' s experiments". J. Fluid  Mechanics. 698, pp. 374- 405.

Rodi, W. (1993). Turbulence models and their application in hydraulics. IAHR Monograph. Rotterdam.

Rouse, H. (1938). Fluid mechanics for hydraulic engineers. McGraw-Hill. New York.

Toro, E. F. (1997). Riemann solvers and numerical methods for fluid dynamics. Springer-Verlag. Berlin.

Toro, E. F. (2001). Shock-capturing methods for free-surface shallow flows. John Wiley & Sons.

Wu, W. M. (2004). "Depth-averaged two-dimensional numerical modeling of unsteady flow and nonuniform sediment transport in open channels". J. Hydraulic Engineering. 130(9), pp. 1013–1024.

Yu, C. and Duan, J. (2012). "Two-dimensional depth-averaged finite volume model for unsteady turbulent flow". J. Hydraulic Research. 50(6), pp. 599- 611.