شبیه سازی عددی سه‌بعدی جریان در کانال‌های مرکب غیرمنشوری همگرا با تاکید بر تاثیر هندسه و پارامترهای هیدرولیکی

پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری محاسبات عددی، امکان انجام تحلیل‌های عددی جریان در کانال‌های باز را با جزئیات بیشتر در حالت سه بعدی فراهم کرده و امروزه بسیاری از مسائل مرتبط با این کانال‌ها از طریق مدل‌های شبیه‌سازی دو بعدی و سه بعدی به‌صورت موثر قابل‌حل هستند. مقاطع هیدرولیکی مرکب، که از ترکیب کانال اصلی و سیلاب‌دشت تشکیل شده‌اند، به دلیل پیچیدگی‌های ناشی از خصوصیات جریان در این گونه کانال‌ها و تعاملات پویای هیدرولیکی بین این دو بخش، نیازمند استفاده از مدل‌های عددی سه‌بعدی برای تحلیل جامع رفتار جریان هستند. در این مطالعه، تمرکز اصلی بر مدل عددی سه‌بعدی flow3d با شبکه‌بندی کارتزین بوده که برای شبیه‌سازی جریان در کانال‌های مرکب غیرمنشوری با سیلاب‌دشت‌های همگرا به‌کار گرفته شده است؛ همچنین مقایسه‌ای با مدل fluent با شبکه‌بندی منحنی‌خطی انجام شده است. برای ارزیابی دقت مدل‌ها، مقادیر ضریب تعیین (r²) بین نتایج عددی و داده‌های آزمایشگاهی محاسبه شد که در تمامی حالات برای هر دو مدل بالای 0.96 به‌دست آمد؛ نتایج این مدل‌ها با داده‌های آزمایشگاهی معتبر، حاصل از تحقیقات در دانشگاه کاتولیک لوون بلژیک، مورد اعتبارسنجی قرار گرفته‌اند. نحوه شبکه‌بندی کناره‌های اریب کانال درflow3d با مش‌بندی کارتزین، دقت بالایی در بازسازی پروفیل سطح آب، توزیع سرعت میانگین‌گیری‌شده در عمق، و میدان سرعت نشان داد، اگرچه تاثیر نوع مش‌بندی بر پروفیل سطح آب و توزیع سرعت میانگین‌گیری‌شده محدود بود، اما در شبیه‌سازی میدان سرعت، به‌ویژه در نواحی مرزی، برتری قابل‌توجهی نسبت به روش منحنی‌خطی داشت. نتایج تحلیل حساسیت نشان داد که زاویه همگرایی بیشترین اثر را بر کاهش سطح آب داشته، در حالی‌که عمق نسبی و دبی، به‌ترتیب نقش کلیدی در انتقال مومنتوم و سرعت جریان ایفا می‌کنند.

three-dimensional numerical simulation of flow in converging non-prismatic compound channels with emphasis on geometry and hydraulic parameters effects

remarkable advances in numerical computing technology have enabled more detailed numerical analysis of open-channel flows in three dimensions, and today, many problems related to these channels can be effectively solved using two- and three-dimensional simulation models. composite hydraulic sections, formed by the combination of a main channel and floodplains, require the use of three-dimensional numerical models for a comprehensive analysis of flow behavior due to the complexities arising from the flow characteristics in such channels and the dynamic hydraulic interactions between these two parts. this study primarily focuses on the three-dimensional numerical model flow3d with cartesian grid, which was employed to simulate flow in non-prismatic compound channels with converging floodplains; a comparison was also made with the fluent model using a curvilinear grid. to evaluate the accuracy of the models, the coefficient of determination (r²) between the numerical results and experimental data was calculated, which was above 0.96 in all cases for both models; the results of these models were validated against reliable experimental data from research at the catholic university of leuven, belgium. the method of gridding the sloped sidewalls of the channel in flow3d with cartesian meshing demonstrated high accuracy in reconstructing the water surface profile, depth-averaged velocity distribution, and velocity field. although the influence of the mesh type on the water surface profile and depth-averaged velocity distribution was limited, it showed a significant advantage over the curvilinear method in simulating the velocity field, especially in near-boundary regions. sensitivity analysis results indicated that the convergence angle had the greatest effect on reducing the water level, while relative depth and discharge played key roles in momentum transfer and flow velocity, respectively.