بررسی عددی پروفیل های سرعت در کانال های روباز با بستر زبر

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز

2 استادیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز

3 استاد گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز

چکیده

توزیع سرعت جریان به دلیل اینکه برای بررسی سرعت متوسط و بیشینه و برآورد دبی و همین طور ارزیابی تنش
برشی روی کناره ها موردنیاز است، تقریبا مهمترین بحث در تمام مطالعات جریانهای کانالهای روباز میباشد. توزیع
سرعت در مقطع عرضی یک کانال تحت تأثیر شکل هندسی، ناهمواریها و وجود پیچ و خم در کانالهاست و قبل از حل
انواع مسائل هیدرولیکی در کانالهای روباز، باید مطالعه و بررسی شود. مشخصه های زبری که بیشتر جریان را تحت
تأثیر قرار میدهد عبارتند از: اندازه، شکل، تراکم و فاصله بین زبریها. در این مطالعه، به بررسی عددی پروفیلهای
سرعت در کانالهای روباز با بستر زبر پرداخته شد. در این بررسی عددی از نرم افزار فلوئنت استفاده شده است. اساس
این روش بر مبنای حجم محدود میباشد. بررسی ها نشان میدهد که در جریان روی بستر زبر سرعت جریان در طول
کانال افزایش مییابد در نتیجه تنش برشی نیز در طول جریان روند افزایشی داشته است. همچنین در جریان روی بستر
زبر شیب سطح آب روند افزایشی داشته و افت انرژی افزایش مییابد. ضریب اصطکاک سطحی برای بسترهای مختلف
تعیین گردید که مقادیر محاسباتی و مدل عددی تطابق خوبی را دارند. به ازای تعداد زبری بیشتر تأثیر آن روی پروفیل
سرعت بیشتر بوده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Velocity Profiles in Open Channels with Rough Bed

نویسندگان [English]

  • F Jafari 1
  • A Abspour 2
  • A Hosseinzadeh Dalir 3
چکیده [English]

The velocity distribution is almost the most important argumentation in all of the open
channel flows studies, since it is necessary for study of the mean and maximum velocities,
estimation of discharge as well as for evaluation of shear stress on channel sides. The flow velocity
distribution in a channel cross section depends on the shape of the section, the roughness of the
channel, and the presence of the bends. So, it should be investigated before solving many of
hydraulic problems in open channels. Characteristics of the roughness which mostly affect the flow
are the size and shape of the roughness elements and spacing between them and also, the roughness
concentration. In this study, velocity profiles in open channels with rough bed were investigated.
FLUENT CFD package was used to implement the numerical method on the basis of the finite
volume method. Results showed that the flow velocity along the canal increased over the rough bed.
So, the shear stress, slope of the water surface and energy lose were increased in the flow direction.
The skin friction coefficients were determined for different rough beds which were in good
agreement with the numerical model values. As the number of roughness elements became more,
their effects on velocity profiles were increased.

احدی م­س، بنکداری ح و طاهر شمسی ا، 1389. برآورد پروفیل سرعت در کانال­های روباز با جریان آشفته. پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران، 14 تا 16 اردیبهشت، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.
اژدری مقدم م و تاج نسایی م، 1389. مدل­سازی عددی سلول­های جریان ثانویه در کانال­های ذوزنقه­ای با زبری یکنواخت. مجله مدل­سازی در مهندسی، سال 8، شماره 20، صفحه­های 57 تا 71.
حسینی س­م و ابریشمی ج، 1389. هیدرولیک کانال­های باز. دانشگاه امام رضا (ع). مشهد، چاپ بیست و سوم.
عباسپور ا و فرسادی­زاده د، 1392. بررسی جریان متلاطم درکانال های روباز با بستر زبر با استفاده از  مدل های فیزیکی و شبیه­سازی عددی. گزارش نهایی طرح تحقیقاتی، دانشگاه تبریز.
فغفور مغربی م و رحیم­پور م، 1386. روشی برای ترسیم خطوط هم سرعت و تخمین دبی در کانال­های روباز. مجله دانشکده فنی، جلد 34، شماره 3، صفحه­های 33 تا 43.
ملک­نژاد یزدی م، دهقانی اا و شهابی م، 1392. بررسی ضریب اصطکاک دارسی ویسباخ درون محیط متخلخل پاره سنگی در جریان حاوی رسوب. نشریه پژوهش های حفاظت آب و خاک، جلد 20، شماره 4، صفحه­های 99 تا 122.
نژند علی ع، اسماعیلی ک، فرهودی ج و زینب ر، 1390. تأثیر زبری­های یکپارچه مثلثی بر مشخصات پرش هیدرولیکی. نشریه آبیاری و زهکشی ایران، جلد 5، شماره 2، صفحه­های 234 تا 241.
Abbaspour A and Farsadizadeh D, 2015. Velocity measurements of a free-Surface turbulent flow oversmooth and rough beds. Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences, Online 38: 354-362.  
Afzalimehr H, Gallichand J, Sui J and Bagheri E, 2011. Field investigation on friction factor in mountainous cobble bed and boulder bed rivers. International Journal of Sediment Research 26(2): 210-221.
Anonymous, 2006. Fluent 6.3 User’s Guide. Fluent Incorporated, Lebanon, N.H.
Balachandar R, Blakely D and Bugg J, 2002. Friction velocity and power law velocity profile in smooth and rough shallow open channel flows. Canadian Journal of Civil Engineering 29: 256-266.
Bomminayuni SK, 2010. Large eddy simulation of turbulent flow over a rough bed using the immersed boundary method. In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science., The School of Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, US.
Carney ShK, Bledsoe BP and Gessler D, 2006. Representing the bed roughness of coarse-grained streams in computational fluid dynamics. Earth Surface Processes and Landforms 31: 736-749.
Chiu CL and Lin GF, 1983. Computation of 3-D flow and shear in open channels. Journal of Hydraulic Engineering ASCE 109(11):1424-1440.
Chiu CL and Chiou JD, 1986. Structure of 3-D flow in rectangular open channels. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 112(11):1050-1068.
Mashau MS, 2006. Flow resistance in open channels with intermediate scale roughness. MSc Thesis, Faculty of Engineering and the Built Environment, University of Witwatersrand, England.
Maghrebi MF and Rahimpour M, 2005. Streamwise velocity distribution in irregular shaped channels having composite bed roughness. Flow Measurement and Instrumentation 17: 237-245.
Nicholas AP, 2001. Computational fluid dynamics modeling of boundary roughness in gravel bed rivers: An investigation of the effects of random variability in bed elevation. Earth Surface Processes and Landforms 26: 345-362.
Pu JH, 2012. Universal velocity distribution for smooth and rough open channel flows. Journal of Applied Fluid Mechanics 6(3): 413-423.
Stone MC and Hotchkiss R, 2007. Turbulence description in two cobble bed river reaches. Journal of Hydraulic Engineering ASCE 133: 1367-1378.
Xian Ye W, 2010. Experimental and numerical studies of open channel turbulent flow over rough bed., in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy, Submitted to Department of  Building and Construction, City University of Hong Kong, China.
Yau Lu J, Hao Hong J Yi, Wang Ch, Zheng Lee K and Chung Yang H, 2003. Measurement and simulation of turbulent flow in a steep open channel with smooth boundary. Journal of the Chinese Institute of Engineers 26(2): 201-210.