اعتبارسنجی روش میانگین‌گیری دوگانه سرعت برای جریان کندشونده در رودخانه‌ های بستر درشت دانه

نوع مقاله: مقاله کامل

نویسندگان

1 گروه آب و محیط زیست، دانشکده عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

2 کروه اب و محیط زیست دانشکده عمران دانشگاه علم و صنعت

چکیده

درک برهمکنش اشکال بستر و ویژگی‌های جریان در مجاری باز، کمک‌های شایانی در اجرای بهتر پروژه‌های زیست‌محیطی و مهندسی رودخانه از قبیل احیا و ساماندهی رودخانه‌ها، کنترل آلودگی آب و طراحی کانال پایدار خواهد کرد. در این تحقیق، روش میانگین‌گیری دوگانه برای برآورد سرعت جریان و سرعت برشی تحت جریان غیریکنواخت کندشونده در دو بازه از رودخانه‌های بستر درشت دانه هراز (مازندران) و رستم‌آباد (چهار محال بختیاری) مورداستفاده قرارگرفته است، برای اندازه‌گیری سرعت جریان در هر نقطه از نیمرخ سرعت از دستگاه ADV با فرکانس 200 هرتز و مدت زمان 120 ثانیه استفاده شده است. رودخانه های هراز و رستم آباد ازلحاظ هیدرولیکی دارای بستر شن و قلوه‌سنگ با شناوری نسبی(نسبت عمق جریان به قطر میانه ذرات رسوب) به ترتیب 4/10و 4/4 هستند. با توجه به استفاده کم از روش میانگین‌گیری دوگانه در رودخانه‌های ایران، اعتبار این روش با استفاده از قانون لگاریتمی و روش مشخصات لایه‌مرزی در محاسبه سرعت برشی در امتداد بخش گودی شکل بستر موردبررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که جریان لایه مرزی به دو بخش لگاریتمی (ناحیه داخلی) و بخش خارجی قابل‌تقسیم است. در ناحیه داخلی جریان (0.02< z/h <0.3)، نیم‌رخ میانگین‌گیری دوگانه سرعت از قانون لگاریتمی پیروی کرده و در ناحیه خارجی بدون الگوی خاصی از آن منحرف می‌شود. نتایج این تحقیق می‌تواند به برآورد مناسب‌تر پارامترهای هیدرولیکی و در پی آن به کاهش هزینه‌های اقتصادی طرح‌های هیدرولیکی به‌ویژه در رودخانه‌ها کمک نماید.

کلیدواژه‌ها


Afzalimehr, H. (2010). Effect of non‐uniformity of flow on velocity and turbulence intensities over a cobble‐bed. Hydrological Processes, 24(3), 331–341.

Afzalimehr, H., & Anctil, F. (1998). Estimation of gravel-bed river flow resistance. Journal of Hydraulic Engineering, 124(10): 1054–1058.

Afzalimehr, H., & Anctil, F. (2000). Accelerating shear velocity in gravel-bed channels. Hydrological Sciences Journal, 45(1): 113–124.

Afzalimehr, H., Barahimi, M., & Sui, J. (2017a). Non-uniform flow over cobble bed with submerged vegetation strip. In Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Management (pp. 1–16).

Afzalimehr H, Maddahi M. R., Sui. J. (2017b). Bedform Characteristics in a Gravel-Bed River. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 65 (4): 366–377.

Afzalimehr, H., & Dey, S. (2009). Influence of bank vegetation and gravel bed on velocity and Reynolds stress distributions. International Journal of Sediment Research, 24(2): 236–246.

Afzalimehr, H., Moradian, M., & Singh, V. P. (2017). Flow Field around Semielliptical Abutments. Journal of Hydrologic Engineering, 23(2): 4017057.

Afzalimehr, H., & Rennie, C. D. (2009). Determination of bed shear stress in gravel-bed Rivers using boundary-layer parameters. Hydrological Sciences Journal, 54(1): 147–159.

Buffington J. M. and Montgomery D.R. (1997). A systematic analysis of eight decades of incipient motion studies, with special reference to gravel bedded rivers. Water Resources Research, 33(8): 1993-2029.

Barenblatt, G. I. (1982). Similarity, self-similarity, and intermediate asymptotics Theory and applications to geophysical hydrodynamics. Leningrad Gidrometeoizdat.

Bendat, J. S., & Piersol, A. G. (1986). Random data: measurement and analysis procedures. Wiley New York

Bolhassani, R., Afzalimehr, H., & Dey, S. (2015). Effects of relative submergence and bed slope on sediment incipient motion under decelerating flows. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 63(4): 295–302.

Chanson, H. (1999). The Hydraulics of Open Channel Flow: an Introduction. Sediment Transport Mechanisms 1. Bed-load Transport.

Dey, S., (2014). Fluvial Hydrodynamics: Hydrodynamic and Sediment Transport Phenomena. Springer-Verlag, Berlin.

Emadzadeh, A., Chiew, Y. M., & Afzalimehr, H. (2010). Effect of accelerating and decelerating flows on incipient motion in sand bed streams. Advances in Water Resources, 33(9): 1094–1104.

Chanson H. (1999). The Hydraulics of Open Channel Flow: An Introduction. John Wiley & Sons. p .544

Fazlollahi, A. Afzalimehr, H. Evaluation of the validity of double-averaging for wall law application on pool (2013). Journal of Hydraulics. 8(1): 19-28 (In Persian)

Franca, M. J., Ferreira, R. M. L., Cardoso, A. H., & Lemmin, U. (2010). Double-average methodology applied to turbulent gravel-bed river flows. In Proceedings of the River Flow 2010 Conference, 56–65.

Franca, M. J., Ferreira, R. M. L., & Lemmin, U. (2008). Parameterization of the logarithmic layer of double-averaged streamwise velocity profiles in gravel-bed river flows. Advances in Water Resources, 31(6): 915–925.

Gloyi, M. Motamedi, A. Najafabadi E. (2016). Application of shear velocity derived from double-averaging on dunes. Iranian Hydraulic Conference, Iran, Qazvin (In Persian).

Gaudio, R., Miglio, A., & Dey, S. (2010). Non-universality of von Kármán’s κ in fluvial streams. Journal of Hydraulic Research, 48(5): 658–663.

Goring, D. G., & Nikora, V. I. (2002). Despiking Acoustic Doppler Velocimeter Data. Journal of Hydraulic Engineering, 128(1): 117–126.

Graf, W. H., & MS Altinakar. (1998). Fluvial hydraulics: Flow and transport processes in channels of simple geometry.

Kabiri, F., Afzalimehr, H., & Sui, J. (2017). Flow structure over a wavy bed with vegetation cover. International Journal of Sediment Research, 32(2): 186-194.

Kironoto, B. A., & Graf, W. H. (1995). Turbulence characteristics in rough non-uniform open-channel flow. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Maritime and Energy, 112(4): 336-348.

Najafabadi, E. F., Afzalimehr, H., & Rowiński, P. M. (2018). Flow structure through a fluvial pool-riffle sequence–Case study. Journal of Hydro-Environment Research, 19(October 2016): 1-15.

Nezu, I., & Nakagawa, H. (1993). Turbulence in open channels. IAHR/AIRH Monograph. Balkema, Rotterdam, the Netherlands.

Nikora, V., Goring, D., McEwan, I., & Griffiths, G. (2001). Spatially averaged open-channel flow over rough bed. Journal of Hydraulic Engineering, 127(2): 123-133.

Nikora V., McEwan I., McLean S., Coleman S., Pokrajac D., and Walters R. (2007). Double-Averaging Concept for Rough-Bed Open-Channel and Overland Flows: Theoretical Background. Journal of Hydraulic Engineering, 133(8): 873-883.

Nortek, A. S. (2009). Vectrino velocimeter user guide. Nortek AS, Vangkroken, Norway.

Omid, M. & Nasrabadi, M. (2006). Sediment engineering, Manual and practice. University of Tehran Press. Tehran

Plott J.R., Diplas P. Kozarek J.L. Dancey C.L. Hill C. Sotiropoulos F. (2013). A generalized log law formulation for a wide range of boundary roughness typically encountered in natural streams. Journal of Geophysical Research Atmospheres 118(3): 1419-1431.

Reynolds, A. J. (1974). Turbulent flows in engineering. J. Wiley & Sons, New York.

Schlichting H. (1979). Boundary- layer theory. McGraw‐Hill Book Company Co. Toronto.

Shahmohammadi, R., Afzalimehr, H., & Sui, J. (2018). Impacts of turbulent flow over a channel bed with a vegetation patch on the incipient motion of sediment. Canadian Journal of Civil Engineering, 45(9): 803-816.

Simons, D. B., & Şentürk, F. (1992). Sediment transport technology: water and sediment dynamics. Water Resources Publication.

Smith, J. D., & McLean, S. R. (1977). Spatially averaged flow over a wavy surface. Journal of Geophysical Research, 82(12): 1735-1746.

Song, T. Graf. W.H. (1994). Non-uniform open-channel flow over a rough bed. Journal of Hydro science and Hydraulic Engineering, JSCE, 12: 1-25.

Song T., Chiew Y. M. (2001). Turbulence measurement in non-uniform open channel flow using Acoustic Doppler Velocimeter (ADV). Journal of Engineering Mechanics-ASCE 127(3): 219-232.

Song, T., Graf, W. H., & Lemmin, U. (1994). Uniform flow in open channels with movable gravel bed. Journal of Hydraulic Research, 32(6): 861-876.

Tennekes, H., & Lumley, J. L. (1972). A first course in turbulence. MIT press.

White, F. M. (1974). Viscous fluid flow. New York: McGraw-Hill.

Wolman, M. G. (1954). A method of sampling coarse river‐bed material. EOS, Transactions American Geophysical Union, 35(6): 951-956.

Wu B., Molinas A., and Julein P.Y. (2004) Bed-material load computations for nonuniform sediments. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 130(10): 1002-1012

Yalin, S.‌ M. (1972). Mechanics of sediment transport. Pergamon Press, Oxford, New York.

Yanda, R., Harada, M., & Tamagawa, I. (2018). Study on double-averaged velocity profile for rough bed and low-flow conditions, Journal of Japan Society of Civil Engineers, JSCE, 74(4): 619-624.