بررسی مکانیزم آبشستگی ناشی از کارکرد همزمان جت های دیواره و ریزشی مستغرق با استفاده از مدل Flow3D

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی آب، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 گروه مهندسی عمران، واحد بوئین زهرا، دانشگاه آزاد اسلامی، بوئین زهرا، ایران

3 گروه مهندسی آب، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

4 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

چکیده

انرژی جنبشی زیاد جریان فوق بحرانی خروجی از سرریزها، مجراهای میانی و تحتانی در بدنه سدها که اغلب بصورت جت طراحی می‌شوند، در تعامل با بستر فرسایش پذیر می‌توانند پایداری سازه‌های واقع شده در مسیر آنها را به مخاطره اندازند. هدف از پژوهش حاضر، بررسی مکانیزم جریان و آبشستگی ناشی از عملکرد همزمان جت‌های ریزشی و دیواره است. بدین منظور الگوی جریان و آبشستگی ایجاد شده ناشی از برخورد جت‌ها با استفاده از مدل عددی Flow3D شبیه‌سازی شده است. پس از صحت سنجی نتایج مدل عددی با داده‌های آزمایشگاهی، بردارهای سرعت، جریان‌های ثانویه ناشی از برخورد جت‌ها، پارامترهای هندسه آبشستگی شامل عمق و طول حفره آبشستگی و نیز ارتفاع برآمدگی، از شروع آبشستگی تا زمان تعادل بستر در زمان‌های متفاوت مورد بررسی قرار گرفت. نتایج تحلیل الگوی جریان نشان داد با برخورد دو جت، یک جریان گردابی ساعتگرد در محل برخورد جت ها تشکیل می‌شود که منجر به فرسایش بستر رسوبی می‌شود. با گذشت زمان و تجمع رسوبات در پایین دست چاله آبشستگی، جدایش جریان در بالای برآمدگی اتفاق می‌افتد و یک جریان گردابی پادساعتگرد در بالادست برآمدگی بوجود می‌آید. بررسی مکانیزم آبشستگی نشان داد بیشترین نرخ فرسایش در مراحل اولیه فرآیند آبشستگی اتفاق می‌افتند، به‌طوریکه در 15 درصد ابتدایی زمان تعادل شبیه سازی، به ترتیب 80، 67 و 76 درصد بیشینه طول، عمق و عرض آبشستگی رخ داده است. نتایج بدست آمده از مدل عددی به ترتیب با خطای 86/1، 7/7 و 31 درصد پارامترهای بیشینه عمق، طول و ارتفاع برآمدگی را در مقایسه با مقادیر آزمایشگاهی پیش‌بینی نمودند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation of Scour Mechanism Due to Simultaneous Operations of Submerged Wall and Impinging Jets Using Flow3D Model

نویسندگان [English]

  • Hamidreza Samma 1
  • Masoumeh Rostam-Abadi 2
  • Amir Khosrojerdi 3
  • Mojtaba Mehraein 4
1 Ph.D. Student, Dept. of Water Eng., Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Department of Civil Engineering, Buinzahra Branch, Islamic Azad University, Buinzahra, Iran
3 Department of Water Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
4 Faculty of Engineering, Kharazmi University, Tehran, Iran.
چکیده [English]

High kinetic energy of supercritical flow formed from spillways as well as middle and bottom outlets of the dam body are commonly considered a water jet. This flow type in interaction with the erodible bed can endanger the stability of structures located in its path. The main purpose of this study is to assess the mechanisms of flow and scour due to simultaneous operations of wall and impinging jets. To this end, the flow pattern and the scouring process has been simulated by Flow3D. First, the numerical model results are validated against experimental data. Then the velocity vectors, secondary currents due to the collision of water jets, and the geometric parameters of scour (e.g., scour depth, scour length, and ridge height) are investigated at various stages from the beginning of the scouring process to the equilibrium. The results of the flow pattern analysis indicated that by the collision of water jets, a single clockwise rotating vortex is formed at intersection of the jets. The latter vortex leads to further erosion of a sediment bed. Flow separation occurs at the top of the ridge due to the accumulation of the eroded sediments at the downstream of the scour hole over time. A counter-clockwise vortex is generated at the upstream of the ridge as a result of the flow separation. Investigation of the scour mechanism demonstrated that the highest scouring propagation rate occurs during the early stages of the scouring process.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Numerical simulation
  • mechanisms of flow and scour
  • intersection of jets
  • scour depth
  • ridge height

مراجع

Aamir M and Ahmad Z, 2019. Estimation of maximum scour depth downstream of an apron under submerged wall jets. Journal of Hydroinformatics 21:523-540
Annandale GW, 2006. Scour Technology: Mechanics and Engineering Practice. McGraw-Hill, New York, USA.
Anonymous, 2016. User's Manual. Flow Science Inc., Santa Fe, New Mexico.

Boroomand MR, Salehi Neyshabouri AA and Aghajanloo K, 2007. Numerical simulation of sediment transport and scouring by an offset jet. Canadian Journal of Civil Engineering 34:1267-1275.

Castillo LG and Carillo JM, 2016. Scour, velocities and pressures evaluations produced by spillway and outlets of dam. Water 8: 1-21.
Castillo LG and Carillo JM, 2017. Comparison of methods to estimate the scour downstream of a ski jump. International Journal of Multiphase Flow 92:171-180.
Faruque MAA, Sarathi P and Balachandar R, 2006. Clear water local scour by submerged three-dimensional wall jets: effect of tailwater depth. Journal of Hydraulic Engineering 132:575-580.
Heng S, Tingsanchali T and Suetsugi T, 2012. Analysis of plunge pool scour hole formation below a chute spillay with flip bucket using a physical model. Asean Engineering Journal Part C, 2:54-65.
Meselhe EA, Georgiou I, Allison MA and Mccorquodale JA, 2012. Numerical modeling of hydrodynamics and sediment transport in lower mississippi at a proposed delta building diversion. Journal of Hydrology 472-473:340-354.
Mehraein M, Ghodsian M and Schleiss A, 2011. Experimental Study on Scour Due to Simultaneous Wall and Impinging Circular Jet. Pp. 2515-2521. 34th IAHR World Congress, 26 June – 1 July, Brisbane, Australia.
Mehraein M, Ghodsian M and Schleiss A, 2012. Scour formation due to simultaneous circular impinging jet and wall jet. Journal of Hydraulic Research 50:395–399.
Nyantekyi-Kwakye B, 2016. Experimental Investigation on the Flow Characteristics of Three-Dimensional Turbulent Offset Jets. PhD thesis, University of Manitoba, Winnipeg, Canada.

Pagliara S and Palermo M, 2017. Scour process caused by multiple subvertical non-crossing jets. Water Science and Engineering 10: 17-24.

Rodi W, Constantinescu G and Stoesser E, 2013. Large Eddy Simulation in Hydraulic. Taylor & Francis Group, London, UK.

Samma H, Khosrojerdi A, Rostam-Abadi M, Mehraein M and Cataño-Lopera Y, 2020. Numerical simulation of scour and flow field over movable bed induced by a submerged wall jet. Journal of Hydroinformatics 22:385-401.

Wilcox DC, 2006. Turbulence Modeling for CFD, 3rd Ed. DCW Industries Inc, La Cañada Flintridge, CA, USA.

Yildiz D and Üzücek E, 1994. Prediction of scour depth from free falling flip bucket jets. International Water Power and Dam Construction, 46:50-56.

 
دانش آب و خاک
دوره 32، شماره 2
تیر 1401
صفحه 11-24

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار