تحقیقات آب و خاک ایران

تحقیقات آب و خاک ایران

مدل‌سازی شبه‌دوبعدی هیدرولیک جریان در لوله‌های رسوبگذار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشیار گروه مهندسی آب دانشکده آب و خاک دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان
2 دانشیار گروه مهندسی آب و محیط زیست دانشکده مهندسی عمران دانشگاه بیرمنگام انگلستان
3 دکتری مهندسی آب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان
4 کارشناسی ارشد مهندسی آب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان
چکیده
مجاری دایره‌ای با سطح آزاد دارای کاربردهای مهمی در طبیعت هستند. مطالعات شبیه‌سازی دوبعدی هیدرولیک جریان در این مجاری محدود بوده و عموماً از روابط و معادلات یک‌بعدی برای مد‌ل‌سازی و طراحی این مجاری استفاده می‌شود. در این مطالعه، از یک مدل ریاضی شبه‌دوبعدی (شیونو و نایت) مبتنی بر معادلات ناویر-استوکس برای محاسبه توزیع عرضی سرعت جریان و تنش برشی مرزی در یک لوله رسوبگذار استفاده شده است. برای اجرا و ارزیابی دقت این مدل، از داده‌های آزمایشگاهی سترلینگ در یک لوله با بستر رسوبی استفاده شد. برای حل مدل شیونو و نایت باید 3 ضریب کلیدی این مدل که نقشی تعیین‌کننده در شبیه‌سازی توزیع عرضی سرعت و تنش برشی مرزی ایفا می‌کنند، تعیین شوند. در این مطالعه، از رابطه Rameshwaran and Shiono (2007) برای محاسبه ضریب اصطکاک و از یک فرآیند بهینه‌سازی عددی مبتنی بر داده‌های آزمایشگاهی برای واسنجی دو ضریب لزجت گردابه‌ای و ضریب جریان‌های ثانویه استفاده شد. بهینه‌سازی این دو ضریب بر اساس کمینه‌سازی همزمان خطای محاسبه توزیع سرعت جریان و تنش برشی مرزی در عرض لوله انجام شد. نتایج بیانگر قابلیت متفاوت مدل شیونو و نایت در شبیه‌سازی توزیع عرضی سرعت و تنش برشی می‌باشد. این مدل اگرچه توزیع سرعت‌ها را با دقت مناسبی (با میانگین و حداکثر خطای 6 و 1/7 درصد) برآورد می‌کند اما توزیع تنش‌ برشی مرزی (با میانگین و حداکثر خطای 5/18 و 22 درصد) با مقادیر قابل قبول فاصله دارد. یکی از دلایل این موضوع، پیچیدگی هندسه لوله‌های رسوبگذار نیمه‌پر است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Quasi-two dimensional modeling of flow hydraulics in deposited pipes

نویسندگان English

Abdolreza Zahiri 1
Soroosh Sharifi 2
Reza Teimouri 3
marzieh keramatloo 4
1 Associated Professor, Dep. of Water Engineering, Faculty of Water and Soil, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Golestan.
2 Water and Environment Engineering Department, Birmingham University, U.K
3 Water Engineering Department, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
4 Water Engineering Department, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
چکیده English

Circular closed conduits with free surface have many applications in nature. Two-dimensional flow hydraulic simulation studies in these channels are limited and generally one-dimensional relations and equations are used for modeling and designing these channels. In this study, a quasi-two-dimensional mathematical model (Shiono and Knight, SKM) based on the Navier-Stokes equations is used to calculate the transverse distribution of flow velocity and boundary shear stress in a deposited pipe (or pipe with a flat bed). To solve the SKM model, three key coefficients of this model must be determined which play a decisive role in simulating the transverse velocity distribution and boundary shear stress. In this study, the Rameshwaran and Shiono (2007) equation was used to calculate the friction coefficient (f) and a numerical optimization process based on laboratory data was used to calibrate the two coefficients of eddy viscosity (λ) and the secondary flow (β). The results indicate the different capabilities of the Shiono and Knight models in simulating the transverse velocity and shear stress distribution. The results indicate the different capabilities of the Shiono and Knight model in simulating the lateral distribution of velocity and shear stress. Although this model estimates the velocity distribution with reasonable accuracy (with an average and maximum error of 6 and 7.1 percent, respectively), the boundary shear stress distribution (with an average and maximum error of 18.5 and 22 percent, respectively) is far from acceptable values.

کلیدواژه‌ها English

Circular sections
Free water surface
lateral distribution of flow velocity
lateral distribution of boundary shear stress
Quasi two dimensional model