بررسی عددی اثر استغراق نسبی بر پارامترهای معادله لگاریتمی سرعت در یک کانال مستقیم با بستر شنی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

2 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران

3 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران،ایران

4 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران

چکیده

 پس از گذشت سال­ها همچنان بررسی میدان جریان آشفته در بسترهای زبر یکی از مسائل مهم و قابل‌بحث است. در گذشته پژوهشگران عمدتاً بر جریان بستر زبر با استغراق نسبی زیاد و متوسط (نسبت عمق جریان به زبری معادل بستر) پرداخته­اند، ولیکن در ارتباط با استغراق نسبی کم، پژوهش­های زیادی صورت نگرفته است. در این پژوهش، به بررسی و مطالعه جریان بستر شنی در شرایط استغراق نسبی کم به­صورت عددی و در نرم‌افزار فلوتری­دی پرداخته شده است. به این منظور، ابتدا مدل عددی ساخته شده به کمک اطلاعات آزمایشگاهی موجود، مورد صحت­سنجی و کالیبراسیون قرار گرفت. در طی مدل­سازی­ها، شش استغراق نسبی متفاوت مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت و پارامترهای معادله لگاریتمی سرعت شامل ضریب وان کارمن، ثابت انتگرالی و صفحه­ی جابجایی صفر تعیین گردید. نتایج نشان داد که در شرایط بستر صاف ضریب وان کارمن برابر 41/0 درنظر گرفته می­شود، ولیکن در شرایطی که بستر زبر بوده و شرایط استغراق نسبی کم حاکم است، این مقدار تغییر کرده و با تغییر استغراق نسبی نیز تغییر پیدا می­کند. محدوده این تغییرات بین 29/0 تا 43/0 می­باشد. در ادامه مشاهده شد که با افزایش عمق ابتدا ضریب وان کارمن کاهش و در ادامه افزایش پیدا کرده است. همچنین صفحه­ی جابجایی صفر به هیچ وجه رابطه­ی منسجم و مشخصی در ارتباط با استغراق نسبی نداشته و نمی­توان به قطعیت در رابطه با آن اظهار نظر نمود. در پایان به کمک نتایج به‌دست‌آمده از مدل­سازی عددی حاضر و مطالعات پیشین برای استغراق نسبی و ضریب وان کارمن، یک تابع دو ضابطه­ای ارائه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of the Relative Submergence Effects on the Logarithmic Velocity Profiles in a Straight Channel with Gravel Bed

نویسندگان [English]

  • Hesam Fathali 1
  • Meysam Fazeli 2
  • Seyed Hossein Mohajeri 3
  • Fouad Kilanehei 4
1 MSc graduated, Civil Engineering Department, Faculty of Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin
2 Department of Civil eng, Science and Research branch of Azad Islamic University, Tehran
3 Assistant professor, Department of Civil Eng., Faculty of science and engineering , Kharazmi University, Tehran
4 Assistant professor, Civil Engineering Department, Faculty of Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin
چکیده [English]

The study of turbulent flow field passing over the rough beds is still one of the important and controversial issues after a few years. In the past, most researchers have focused on flow with a high and medium relative submergence (the ratio of water depth to aggregate size), but only a few studies have been done on the low relative submergence flows. In this study, the gravel bed open-channel flow in a straight channel has been numerically modeled and studied using the Flow-3D package. The numerical model has been calibrated and verified using available data in the literature. During simulation, six different relative submergences were analyzed and the coefficients of Von Karman, integral constant and zero displacement planes determined. Results showed that in flat-bed conditions, the Von Karman coefficient is 0.41, but in the case of rough bed and relatively low submergence conditions, this value changes with relative submergence. These changes ranged from 0.29 to 0.43. It was also observed that with increasing depth, the Von Karman coefficient initially decreased and increased consecutively. Also, the zero displacement plane has no coherent relationship with relative submergence at all and it cannot be commented definitively. At the end, a new experimental formulation for the Von-Karman coefficient has been presented as a two-function equation with relative submergence boundary.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Turbulent Flow
  • relative submergence
  • Gravel bed
  • Numerical Modeling
  • logarithmic equation
Afzalimehr, H., Gallichand, J., Jueyi, S.U.I. and Bagheri, E. (2011). "Field investigation on friction factor in mountainous cobble-bed and boulder-bed rivers." International Journal of Sediment  Research, 26(2), pp.210-221.
Dittrich, A. and Koll, K. (1997). "Velocity field and resistance of flow over rough surfaces with large and small relative submergence." Int. J. Sediment Res, 12(3), pp.21-33.
Ferro, V. and Baiamonte, G., 1994. Flow velocity profiles in gravel-bed rivers. Journal of Hydraulic Engineering, 120(1), pp.60-80.
Hirt, C.W. and Nichols, B.D., (1981). Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of computational physics, 39(1), pp.201-225.
Katul, G., Wiberg, P., Albertson, J. and Hornberger, G.(2002). "A mixing layer theory for flow resistance in shallow streams." Water Resources Research, 38(11), pp.32-1.
Koll, K. (2006), September. "Parameterisation of the vertical velocity profile in the wall region over rough surfaces." In River flow (pp. 163-172). Taylor & Francis.
Manes, C., Pokrajac, D. and McEwan, I., 2007. Double-averaged open-channel flows with small relative submergence. Journal of Hydraulic Engineering, 133(8), pp.896-904.
Mignot, J., C. de Boyer Montégut, and M. Tomczak (2009), on the porosity of barrier layers, Ocean Sci., 5, 379–387
Mohajeri, S.H. (2014). "Hydrodynamics of gravel bed flows (implication on colmation)" (Doctoral dissertation, Queen Mary University of London).
Mohajeri, S.H., Grizzi, S., Righetti, M., Romano, G.P. and Nikora, V. (2015). "The structure of gravel bed flow with intermediate submergence: A laboratory study." Water Resources Research, 51(11), pp.9232-9255.
Mohajeri, SH. Kashmari, Kh. Zarrati, AM. Azarpira, M, (2018). Characterization of double-averaged velocity profile in an open-channel with intermediate relative roughness, Amirkabir J. Civil Eng (in Farsi).
Nikora, V. (2008), Hydrodynamics of gravel-bed rivers: Scale issues, in Gravel Bed Rivers VI: From Process Understanding to River Restoration, edited by H. Habersack, H. Piegay, and M. Rinaldi, Elsevier, Amsterdam, Netherlands.
Pu, J.H. (2013). Universal velocity distribution for smooth and rough open channel flows. Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 6, No. 3, pp. 413-423
Saneinejad, M., (2015). An introduction turbulent flows an turbulence modeling. 2th ed, Tehran.  (in Farsi)