مدلسازی عددی تاثیر طول کوله پل در سیلاب دشت بر تنش برشی بستر و مومنتوم جریان

سابقه و هدف: با بالا آمدن تراز آب در کانال اصلی و عبور آن از مرز سیلاب‌دشت، به دلیل متفاوت بودن ضریب زبری و اختلاف سرعت بین کانال اصلی و سیلاب‌دشت، جریان در کانال اصلی با شتاب بیشتری نسبت به سیلاب‌دشت‌ها حرکت کرده و یک تبادل مومنتوم قوی بین جریان‌ها در فصل مشترک کانال اصلی و سیلاب‌دشت به‌وجود می‌آید. این تبادل باعث تولید گردابه‌هایی در فصل مشترک کانال اصلی و سیلاب‌دشت می‌گردد. تبادل مومنتوم باعث می‌شود از انرژی جریان پرسرعت مجرای اصلی کاسته و به انرژی جریان کم سرعت سیلاب‌دشت افزوده شود. تبادل مومنتوم همچنین باعث کاهش دبی کانال اصلی، افزایش دبی سیلاب‌دشت و کاهش ظرفیت انتقال رودخانه می‌گردد. در فصل مشترک کانال اصلی و سیلاب‌دشت به علت وجود لایه برشی، پتانسیل ناپایداری و آبشستگی بالا است. شناخت پارامترهای تنش برشی بستر و مومنتوم در کانال مرکب و خصوصاً در فصل مشترک کانال اصلی و سیلاب‌دشت کمک می‌کند که محاسبات دقیقتری در ارتباط با حفاظت بستر رودخانه و تعیین روش‌های محافظتی صورت پذیرد. در این پژوهش به کمی‌سازی پارامتر‌های تنش برشی بستر و مومنتوم جریان در شرایطی که کانال مرکب، طول تکیه‌گاه پل در سیلاب‌دشت و نوع دیوار هدایت به صورت هم‌زمان بر الگوی جریان تاثیر گذار هستند، پرداخته شده است. مواد و روش‌ها: در تحقیق حاضر با استفاده از تحلیل عددی سه‌بعدی به بررسی تنش برشی بستر و اختلاف مومنتوم بین سیلابدشت و کانال اصلی در یک کانال مرکب ذوزنقه‌ای متقارن با استفاده از نرم‌افزار flow-3d پرداخته شده است. پس از تایید صحت عملکرد مدل مذکور با استفاده از نتایج آزمایشگاهی موجود، تنش برشی بستر و اختلاف مومنتوم بین سیلاب‌دشت و کانال اصلی برای طول‌های مختلف تکیه‌گاه پل و در حالت‌های با و بدون دیوار هدایت بیضوی شکل مورد بررسی قرار گرفته است.یافته‌ها: تنش برشی بستر در حالت با دیوار هدایت بیضوی شکل نسبت به حالت بدون دیوار هدایت، در کانال اصلی افزایش و در سیلاب‌دشت کاهش یافته است. تنش برشی در کانال اصلی تا 25.5 درصد افزایش و در سیلاب‌دشت تا 36.6 درصد کاهش یافته است. همچنین اختلاف مومنتوم در حالت با دیوار هدایت بیضوی شکل نسبت به حالت بدون دیوار هدایت تا مقدار 78.5 درصد افزایش یافته است. نتیجه‌گیری: از نتایج قابل توجه این است که در حالت تکیه‌گاه با دیوار هدایت بیضوی، تنش برشی بستر در سیلاب‌دشت کاهش مییابد که باعث بهبود شرایط در محل تکیه‌گاه پل می‌گردد ولی افزایش تنش برشی در کانال اصلی باعث می‌شود که شرایط پایه‌هایی که در کانال اصلی قرار می‌گیرند بحرانی‌تر گردد. همچنین در حالت تکیه‌گاه با دیوار هدایت بیضوی شکل اختلاف مومنتوم بین سیلاب‌دشت و کانال اصلی نسبت به حالت تکیه‌گاه بدون دیوار هدایت افزایش می‌یابد که این امر باعث افزایش تنش برشی و ایجاد گردابه‌ها در فصل مشترک کانال اصلی و سیلاب‌دشت می‌گردد.

Numerical Modeling of the Effect of Abutment Length in the Floodplain on Bed Shear Stress and Flow Momentum

Background and Objectives: As the water level rises in the main channel and crosses the floodplain boundary, because of different roughness coefficient and velocity between the main channel and the floodplain, the flow in the main channel move more acceleration than the flow in the floodplains and there will be strong momentum exchange between the flows in the intersection of the main channel and the floodplain. This exchange generates vortices in the intersection of the main channel and the floodplain. Momentum exchange reduces the high velocity flow energy of the main channel and adds to the low velocity flow energy of the floodplain. Momentum exchange also reduces the discharge of the main channel, increasing the discharge of the floodplain and decreasing river transmission capacity. At intersection of the main channel and the floodplain, due to the shear layer, the potential for instability and scour are high. Understanding parameters of the bed shear stress and momentum in the compound channel especially in the intersection of the main channel and floodplain make more accurate calculations related to the protection of the riverbed and determine the protection methods. In this study, the parameters of bed shear stress and flow momentum are quantified in conditions where the compound channel, bridge abutment length in the floodplain and the type of guidewall simultaneously affect the flow pattern.Materials and methods: In the present study, threedimensional numerical analysis is performed to investigate the bed shear stress and momentum exchanging between the floodplain and the main channel in a symmetric trapezoidal compound channel by using FLOW3D. After validating of the mentioned model, the bed shear stress and momentum exchange between the floodplain and the main channel for different bridge abutment lengths in cases with and without elliptical guidewall have been investigated.Results: The bed shear stress in the case with the elliptical guide wall has increased in the main channel and decreased in the floodplain compared to without guidewall. Shear stress in the main channel has increased to 25.5% and decreased to 36.63% in the floodplain. The momentum exchange in the elliptical guidewall case has increased up to 78.5% compared to without guidewall case.Conclusion: One of the remarkable results is that the bed shear stress in the floodplain decreases in the case of abutment with the elliptical guidewall which improves the conditions at the bridge abutment. But increase the shear stress in the main channel causes the conditions of the abutment located in the main channel become more critical. Also, in the case of abutment with the elliptical guidewall, the momentum exchange between the floodplain and the main channel increases compared to in the case of abutment without the guide wall, which increases the shear stress and creates vortices at intersection of the floodplain and the main channel.