مطالعه ای بر جریان آشفته کم عمق در یک کانال روبازِ بسترشنی در مقیاس سنگدانه ها

یکی از چالشی ترین مباحث هیدرولیکی، بررسی جریان غیرسیلابی با استغراق نسبی پایین (نسبت عمق آب به ابعاد زبری بستر پائین) و با اعداد رینولدز بالا در رودخانه های کوهستانی با بسترهای شنی می باشد. مطالعه حاضر که به بررسی عددی این نوع جریان در مقیاس سنگ دانه ها پرداخته است. به این منطور بستر شنی توسط وارد نمودن مدل رقومی در نرم افزار flow3d به صورت فیزیکی، علاوه بر مدلسازی هیدرولیکی از طریق اعمال ضریب زبری، مدل گردیده شد. پس از صحت سنجی و در پایان مدلسازی، نتایج نشان داد که وجود بستر شنی در این شرایط، بر میدان جریان، بر شدت آشفتگی و تنش برشی بستر به شدت اثر می گذارد. بررسی کمی ناحیه تحت تاثیر سنگ دانه های شنی، نشان داد که محدوده ی لایه ی زبرناحیه متشکل از زیرلایه لزج و ناحیه بین نا بینی در بسترهای زبر نه تنها در مکان تغییر می نماید، بلکه براساس پارامترهای آشفتگی مختلف مورد مطالعه نیز این محدوده از 0.08 تا 0.2 عمق جریان تغییر می نماید. چنین مشاهده ای تعریف دقیق و جامع این ناحیه را بسیار مشکل و پیچیده می نماید. همچنین بررسی تغییرات سرعت طولی و متوسط انرژی جنبشی آشفتگی حاکی از تشکیل رگه های طولی تغییرات سرعت و انرژی جنبشی در عرض کانال می باشد. با وجودی که این رگه ها با عمق جریان مقیاس می شدند، با توجه به نوع مدلسازی آشفتگی در مطالعه حاضر، تشکیل این رگه ها به در هم تنیده شدن گردابه ها و دنباله های تشکیلی در اطراف سنگ دانه های شنی تشکیل دهنده بستر نسبت داده شد. در نهایت با بررسی شکل کانتورهای سرعت برشی در کف کانال این نتیجه حاصل گردید که بیشترین سرعت برشی در نزدیکی مرتفع ترین سنگ دانه تشگیل می گردد که می تواند تا 5 برابر بزرگتر از مقدار متوسط سرعت برشی باشد.

Study of shallow turbulent gravel bed flow in a rectangular open-channel in a grain scale

One of the most challenging hydraulic topics is the study mountainous river flow in natural condition where the relative submergence (the ratio of water depth to the bed roughness length characteristics) is low and Reynolds number is too high. Most of the rivers that cross the mountainous areas have coarse aggregates of sand aggregates. In natural flow conditions, usually depth of water is not high and as a result existence of roughness affects the flow field and velocity profile specially roughness sublayer. Investigation of flow field in this types of rivers and understanding the important parameters of turbulent flow helps to better exploit these types of rivers. In shallow currents, the relative submergence is often less than 20. However, there is an uncertainty regarding this range. Present study, which will be continued by Mohajeri et al. (2015), has investigated the numerical simulation of this type of flow. For this purpose, the gravel bed was modeled physically by importing a digital model into the Flow3D software. One of the innovations of this research was the importing of a rough bed in a physical manner while in similar researches, the roughness equivalent coefficient was imported as an effective roughness parameter and the bed was not physically modeled. In present study, the study of parts of the flow in numerical simulation order that in laboratory study Due to laboratory limitations was not investigated, was considered. Actually, the main purpose in present study is investigation of turbulent flow characteristics in a low relative submergence in near sandy stone. One of the other points of this research is the investigation of low relative submergence, while most studies had done on high relative submergence. It should be noted, for simulating the kԑ RNG that is two equations model and having Medium computing cost, has been used in Flow3D Software. After validation it was found that Flow3D was able to simulate these types of flows. After validation and at the end of modeling, it was found that existence of sand stones in these conditions, it affects severely on flow field, turbulent intensity and shear stress. Quantitative investigation of region under sandy sandstone shows that roughness sublayer region not only changes in location, but also vary according to the parameter being studied. Such an observation makes the regionchr('39')s precise and comprehensive definition very difficult and complicated. also existence of changes in longitudinal velocity and medium turbulent kinetic energy (T.K.E) is the cause of formation of longitudinal strings of variations in velocity and kinetic energy across the channel .According to the type of turbulent modeling in this study which was kԑ RNG, existence this strings Attributed to Swirling together and Arranged sequences near sandy sandstone because these model Based on isotropic turbulence assumption and it hasn rsquo;t ability to investigating and modeling the secondary currents. Finally with investigation of shear velocity contours in bed channel, it was found that maximum shear velocity occurred near maximum elevation sandstone. Also, maximum drag force occurred in this region. Finally, due to small flow fields in near of walls and colliding Flow currents to these walls, the mean of shear velocity and friction increases.