تحقیقات آب و خاک ایران

تحقیقات آب و خاک ایران

شبیه‌سازی عددی سه‌بعدی اثر توأم ضریب تخلخل و اندازۀ سنگدانه بر استهلاک انرژی، هوادهی و میدان آشفتگی جریان در سرریزهای پلکانی توری‌سنگی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشیار گروه سازه های آبی، دانشکده مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران
2 استاد گروه سازه های آبی، دانشکده مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران
10.22059/ijswr.2026.419751.670188
چکیده
سرریزهای پلکانی توری‌سنگی جایگزینی ارزان و سازگار با محیط‌زیست برای سرریزهای نفوذناپذیرند، اما نقش تخلخل بسته‌ها بر هوادهی و آشفتگی جریان کمتر کمی‌سازی شده است. در پژوهش حاضر جریان دوفازی آب‑هوا روی یک سرریز پلکانی توری‌سنگی ده‌پله با شیب 57/26 درجه، با نرم‌افزار Flow-3D، مدل آشفتگی k-ε، روابط فورشهایمر و حل‌گر ورود هوا شبیه‌سازی شد. مدل با داده‌های آزمایشگاهی ووتریچ و چنسون (2014) واسنجی و اندازۀ سلول 012/0 متر انتخاب شد (ضریب تعیین تا 954/0). نه شبیه‌سازی با سه دبی 018/0، 037/0 و 114/0 مترمکعب بر ثانیه ‑ متناظر با رژیم‌های ریزشی، انتقالی و غیرریزشی ‑ و سه تخلخل 2/0، 375/0 و 5/0 اجرا شد. تخلخل و قطر مؤثر سنگدانه هم‌زمان تغییر کرده‌اند و نتایج اثر توأم آن‌ها را نشان می‌دهد؛ تجزیۀ تحلیلی حاکی است 87 درصد تغییر نفوذپذیری از تخلخل ناشی می‌شود. افزایش نفوذپذیری سهم جریان درون‌گذر را زیاد و جریان روگذر، گردابه‌های حفره و آشفتگی سطحی ‑ نیروی محرک محبوس‌سازی هوا ‑ را تضعیف می‌کند. با افزایش تخلخل از 375/0 به 5/0، استهلاک انرژی، سرعت متوسط، غلظت هوا و انرژی جنبشی آشفتگی به‌ترتیب تا 8/21، 5/22، 6/14 و 5/45 درصد کاهش یافت و اثر تخلخل در رژیم ریزشی بیشینه بود. تحلیل حساسیت، انرژی جنبشی آشفتگی را حساس‌ترین (کشسانی 04/1) و غلظت هوا را کم‌حساس‌ترین (27/0) شاخص نشان داد. همبستگی تجربی تازه‌ای نیز برای طول ناحیۀ هوادهی‌نشده بر حسب تخلخل و عدد فرود زبری ارائه شد (ضریب تعیین پیش‌بین 994/0).
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

3D Numerical Simulation of the Combined Effect of Porosity and Aggregate Size on Energy Dissipation, Aeration, and Flow Turbulence Field in Gabion Stepped Spillways

نویسندگان English

MohammadReza Zayeri 1
mehdi ghomeshi 2
1 Associate Professor, Department of Hydraulic Structures, Faculty of Water and Environmental Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz ,, Ahvaz, Iran
2 Professor, Department of Hydraulic Structures, Faculty of Water and Environmental Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
چکیده English

This study investigates two-phase air–water flow over a ten-step gabion stepped spillway with a 26.57° slope using Flow-3D, the k–ε turbulence model, Forchheimer equations for porous media, and an air entrainment solver. The numerical model was calibrated against Wüthrich and Chanson’s (2014) experimental data. A cell size of 0.012 m, comprising 1,477,056 cells, was selected as the optimal mesh, achieving an R² of 0.954 and an RMSE of 0.15. Nine simulations were performed using three discharge rates (0.018, 0.037, and 0.114 m³/s), representing nappe, transition, and skimming flow regimes, respectively, and three porosities (0.20, 0.375, and 0.50). Because porosity and effective aggregate diameter were varied simultaneously, permeability changes were attributed approximately 87% to porosity and 13% to aggregate diameter. Increasing permeability enhanced interflow and reduced overflow, weakening momentum flux, cavity vortices, and surface turbulent kinetic energy, which drives air entrainment. Increasing porosity from 0.375 to 0.50 reduced energy dissipation, mean velocity, mean air concentration, and turbulent kinetic energy by up to 21.8%, 22.5%, 14.6%, and 45.5%, respectively. These effects were strongest in nappe flow and weakest in skimming flow. Turbulent kinetic energy was the most sensitive parameter, while air concentration was the least sensitive. Finally, a new empirical correlation for unaerated flow length achieved a predictive R² of 0.994 and a mean absolute percentage error of 4.3%.

کلیدواژه‌ها English

Air concentration
Energy dissipation
Gabion stepped spillway
Porosity
Turbulent kinetic energy