حل عددی توزیع دوبعدی سرعت جریان در مقاطع مرکب مستقیم

نویسندگان

1 کارشناس ارشد سازه های آبی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 دانشیار دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 دانشیار گروه مهندسی آب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

پارامتر سرعت در رودخانه از مهم‌ترین متغیرهای هیدرولیک جریان بوده و در بسیاری از مباحث مهندسی رودخانه مانند استخراج رابطه دبی- اشل و انتقال رسوبات کاربرد مؤثری دارد. در برخی طرح‌های مهندسی رودخانه، محاسبه سرعت متوسط جریان کفایت می‌کند. در بعضی دیگر از پروژه‌ها از قبیل طراحی سازه‌های هیدرولیکی در رودخانه، طراحی کانال‌های پایدار، محاسبات سیل در رودخانه‌ها و دشت‌های سیلابی باید توزیع عرضی و عمقی سرعت جریان در رودخانه محاسبه گردد. برای محاسبه توزیع دوبعدی سرعت جریان در جهت‌های عرضی و عمقی، مدل‌های ریاضی زیادی ارائه‌شده‌اند که ازنظر کاربردی دارای پیچیدگی‌های زیادی می‌باشند. در این تحقیق از مدل ریاضی ساده و کاربردی کین و همکاران و تلفیق آن با معادلات لزجت گردابه‌ای و سرعت دیواره اینشتین برای تعیین توزیع دوبعدی سرعت جریان در کانال‌های با مقطع مرکب صاف و زبر استفاده شد. با حل عددی این مدل ریاضی به روش تفاضل‌های محدود، داده های منحنی‌های هم سرعت جریان در کانال‌های مرکب به ازاء عمق‌های مختلف جریان و ضرایب زبری دشت‌های سیلابی محاسبه و با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه گردید. همچنین توزیع‌های عرضی سرعت جریان در این کانال‌ها محاسبه شد و با پروفیل­های اندازه‌گیری شده مقایسه شد. این مقایسه­ها نشان‌ داد که مدل ریاضی پیشنهادی با ضریب تبیین 92/0=2R، جذر میانگین مربعات خطای 036/0= RMSE و میانگین مطلق خطا 8/2 %= MAPE درصد دارای دقت قابل‌قبولی است. این مدل با فرض شرایط جریان به‌صورت ماندگار و یکنواخت و با صرف‌نظر کردن از اثر جریان­های ثانویه توسعه داده شد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Numerical Solution of Two-Dimensional Velocity Distribution in Straight Compound Channels

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Karimi 1
  • Abdolreza Zahiri 2
  • Mahdi Meftah 3
  • AmirAhmad Dehghani 3
1 MSc Graduated in Water Strictures, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural REsources
2 Water and Soil Engineering, Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
3 Water and Soil Engineering Faculty, Water Engineering department, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources
چکیده [English]

In the river, velocity parameter is one of the most important hydraulic variables and is effectively used in many river engineering fields like development of stage-discharge curve and sediment transport. In some river engineering schemes, the calculation of average flow velocity is sufficient. However, for some other projects, such as designing hydraulic structures in the river, stable channel design, flood calculations in rivers and floodplains, the lateral and vertical distributions of flow velocity should be calculated. To calculate the two-dimensional distribution of the velocity of flow (in transverse and vertical directions) many mathematical models have been presented with many complexities from practical point of view. In this research, a simple and practical mathematical model of Kean et al in combination with eddy viscosity equation as well as Einstein's law of the wall velocity was used to determine the two-dimensional flow velocity distribution in the smooth and rough compound channels. By numerical solution of this mathematical model, using finite differences method, isovel curves data were calculated for some experimental compound channels with different flow depths and floodplain's roughness coefficients and then they were compared with the experimental data. Also, transverse distributions of the flow velocity were calculated in these channels and compared with the measured profiles. These comparisons showed that the proposed mathematical model with coefficient of determination (R2)=0.92, root-mean-square error (RMSE)=0.036 and mean absolute percentage error (MAPE)= 2.8% had an acceptable accuracy. The proposed mathematical model was developed with steady and uniform flow assumption, neglecting the secondary flow effect.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Compound channel
  • Flood plain
  • Main channel
  • Two-dimensional velocity
  • Wall velocity

مراجع

Abril JB and Knight DW, 2002. Sediment transport simulation of the Paute river using a depth-averaged flow
model. Pp. 895-901. Proc. Int. Conf. on Fluvial Hydraulics. Sep. 2002,  Louvain-la-Neuve, Belgium.
Ammari A and Remini B, 2010. Estimation of Algerian Rivers discharges based on Chiu’s equation. Arab Journal of Geosciences 3: 59–65.
Carlos DJ and Chaudhry FH, 1998. Experimental evaluation of 2-D entropy model for open-channel flow. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 124(10): 1064-1067.
Chen YC, 1998. An efficient method of discharge measurement, Ph.D. Thesis, University of Pittsburgh, Pittsburgh.
Chiu CL, 1987. Entropy and probability concepts in hydraulics. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 113(5): 583-600.
Darby SE, 1998. Modelling width adjustment in straight alluvial channels. Journal of Hydrological Processes 12(8): 1299–1321.
Esmaeali Varaki M, Ghorbani Nasrabadi S and Navabian M, 2013. Evaluation of entropy based Chiu’s method for prediction of the velocity distribution and discharge in rivers. Journal of Water and Soil Conservation 20(6): 147-164. (In Persian with English abstract)
Farina G, Alvisi S, Franchini M and Moramarco T, 2014. Three methods for estimating the entropy parameter M based on a decreasing number of velocity measurements in a river cross-section. Journal of Entropy 16(5): 2512-2529.
Fernandes JN, Leal JB and Cardoso AH, 2012. Flow structure in a compound channel with smooth and rough floodplains. European Water 38: 3-12.
Ikeda S, Kawamura K and Kasuya I, 2001. Quasi – three dimensional computation and laboratory test on flow in curved compound channels. Journal of Coastal and Environmental Engineering, JSCE 20(6): 147-164.
Javid S and Mohammadi M, 2012. Estimation of shear stress in smooth trapezoidal open-channels using conformal Mapping. Water and Soil Science- University of Tabriz 22(2): 18-26. (In Persian with English abstract)
Julien YP, 2010. Erosion and Sedimentation (Second Edition). Cambridge University Press, New York.
Kean JK, Kuhnle RA, Smith JD, Alonso CV and Langendoen EJ, 2009. Test of a method to calculate near-bank velocity and boundary shear stress. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 135(7): 588-601.
Kean JW and Smith JD, 2004. Flow and boundary shear stress in channels with woody bank vegetation. Pp. 237–252. In: Simon A and Bennett SJ, (eds). Riparian Vegetation and Fluvial Geomorphology. AGU, Washington, D.C.
Kordi H, Amini R, Zahiri AR and Nekoeianfar M, 2013. Modeling of lateral velocity distribution in straight compound channels. Journal of Water and Soil Conservation 20(3): 73-91. (In Persian with English abstract)
Maghrebi MF and Ball J, 2006. New model for estimation of discharge. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 132 (10): 1044-1051.
Mohseni M, Samani J and Ayyoubzadeh SA, 2014. Depth-averaged velocity distribution in compound channel with vegetated floodplains. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 8(3): 63-75.
Niksefat GhR and Danandehmehr A, 2010. Principals of River Engineering. Printed by Tehran Dibagaran Artistic and Cultural Institute, Tehran, Iran. (In Persian)
Omran M, 2008. New developments in predicting stage–discharge curves, velocity and boundary shear stress distributions in open channel flow. Water and Environment Journal 22(2): 131 – 136.
Shiono K and Knight DW, 1991. Turbulent open-channel flows with variable depth across the channel. Journal of Fluid Mechanics (222): 617-646.
Stosic B, Sacramento V, Filho MC, Cantalice JRB and Singh VP, 2016. Computational approach to improving the efficiency of river discharge measurement. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 21(12): 1061-1070.
Västilä K, 2015. Flow plant sediment interactions: Vegetative resistance modeling and cohesive sediment processes. Ph.D. Thesis, Aalto University, Finland.
Zahiri A, Hashemi F and Yousefabadi I, 2017. Simulation of two-dimensional velocity distributions in rivers based on Chiu's theory (Case study: Gorganrood River). Iranian Journal of Ecohydrology 4(3): 791-802. (In Persian with English abstract
دانش آب و خاک
دوره 31، شماره 3
مهر 1400
صفحه 47-60

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار