مطالعه عددی تأثیر فاصله و نحوه قرارگیری پایه‌های مجاور بر الگوی جریان و فرسایش بستر ماسه‌ای پیرامون پایه‌های پل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب، قطب علمی هیدروانفورماتیک، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران.

2 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران.

3 گروه مهندسی دریا، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه ملبورن، ملبورن، استرالیا.

چکیده

یکی از عوامل کاهش هزینه ساخت پل­ها، استفاده از پایه‌های مجاور می‌باشد. در پایه‌های مجاور تأثیر جریان‌های متلاطم پیرامون پایه‌ها بر یکدیگر، فاصله پایه­ها و میزان آبشستگی حائز اهمیت می­باشند. در این پژوهش با تحقیق در مورد نحوه قرارگیری پایه‌های مجاور با دو مقطع هندسی و با فواصل متفاوت و بررسی تأثیر آن بر مقدار آبشستگی موضعی پایه‌ها و الگوی فرسایش بستر، سعی در ارائه ترکیب مناسب و کارآمد از پایه‌های مجاور در راستای کاهش میزان آبشستگی شده است. مدل‌سازی عددی توسط نرم‌افزار Flow3D انجام شده است. مدل­های طراحی‌شده در دو مقطع هندسی دایره­ای و مرکب و در دو حالت چیدمان پایه­های مجاور عمود بر جهت جریان و موازی جهت جریان در شش فاصله متغیر برای هر حالت می‌باشد که در کل تعداد 26 مدل شبیه‌سازی ‌شده و مورد بررسی قرار گرفته­اند. با بررسی تغییرات در فاصله بین پایه‌ها در دو حالت مشخص شد که با کاهش فاصله، به دلیل ایجاد مانع وسیع­تر در برابر جریان و ایجاد جت آب در میان پایه‌ها، آبشستگی به طور چشمگیری افزایش می‌یابد. با افزایش فاصله، این عمق کاهش ‌یافته و در فاصله S=4D و بیشتر پایه­های مجاور، تأثیری بر میزان و الگوی آبشستگی نداشته و مناسب‌ترین فاصله S=2.75Dبه دست آمد. در حالت پایه­های موازی جریان، مشخص شد که فاصله تأثیری بر میزان آبشستگی پایه بالادست نداشته و فقط بخش میانی با افزایش فاصله دچار تغییرات کمی می‌شود که با کاهش فاصله این تأثیر کم و با افزایش فاصله مشهود می‌باشد. در پایه مرکب، تمام موارد ذکرشده صادق بوده ولی میزان آبشستگی­ها با کاهش همراه است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Study of the Impact of Distance and Placement of the Adjacent Piers on the Flow Pattern and Local Scour around Bridge Piers in Sandy Bed

نویسندگان [English]

  • Yousef Hassanzadeh 1
  • Nazila Kardan 2
  • Ali Tamizi 3
1 Department of Water Engineering, Center of Excellence in Hydoinformatics, Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran.
2 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran.
3 Department of Coastal Engineering, Faculty of Civil Engineering, University of Melbourne, Melbourne, Australia.
چکیده [English]

Utilizing adjacent piers is one of the cost reduction factors in bridge construction. The impact of turbulent flow around piers on each other, piers distance and the amount of scouring in the adjacent piers are of great importance. In this research, it is tried to present a convenient and efficient combination of adjacent piers in order to reduce the amount of scour by analyzing the placement of these piers in two different shapes and various distances from each other and its impact on the amount of local scouring and the bed erosion pattern. Numerical simulation is done by FLOW3D software. Designed models for two cylindrical and combined shapes of piers in two specific placements, side by side and tandem, and in 6 different distance between the two piers for each state, totally 26 simulation models were simulated and investigated. It is found that the scouring depth increases significantly by decreasing distance between piers which creates a wider obstacle against the flow and water jet between the piers. The flow depth is decreased by increasing this distance and the adjacent piers have no impact on the amount and pattern of scouring in S=4D and higher distances away from each other and the most suitable distance was obtained at S=2.75D. In the tandem cases, it was found that the piers distance does not have any impact on the amount of scouring at the upstream and just the middle part experiences quantitative changes in the bed level; this impact is low by decreasing the distance and obvious by increasing the distance. All the mentioned items are correct in the combined pier, but the amount of scouring shows reduction.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Scouring
  • Bridge Pier
  • Adjacent piers
  • Numerical simulation
  • FLOW3D software
Aghaee-Shalmani, Y. and Hakimzadeh, H. (2015). Experimental investigation of scour around semi-conical piers under steady current action. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 19(6): 717-732.
Ali, K.H.M. and Karim, O. (2002). Simulation of flow around piers. J. Hydraulic research, IAHR, 40(2), 161-174.
Baykal, C., Sumer, B.M., Fuhrman, D.R., Jacobsen, N.G. and Fredsøe, J. (2015). Numerical investigation of flow and scour around a vertical circular cylinder. Philosophical transactions. Series A, Mathematical, physical, and engineering sciences, 373(2033).
Brethour, J. and Burnham, J. (2010). Modeling Sediment Erosion and Deposition with the FLOW-3DSedimentation and Scour Model. Flow Science Inc., Technical Note No. 85.
Breusers, H.N.C., Nicollet, G. and Shen, H.W. (1977). Local scour around cylindrical piers, J. Hydraulic Research, 15(3), 211-252
Drysdale, D.M. (2008).The Effectiveness of an Aerofoil Shaped Pier in Reducing Downstream Vortices and Turbulence. University of Southern Queensland.
Duc, B.M. and Rodi, W. (2008). Numerical simulation of contraction scour in an open laboratory channel. J. Hydraulic Engineering, 134(4), 367-377.
Flow Science, Inc., “FLOW-3D User’s Manual”, Flow Science, Inc, 2008.
Guemou, B., Seddini, A. and Ghenim, A.N. (2016). Numerical investigations of the round-nosed bridge pier length effects on the bed shear stress. Progress in Computational Fluid Dynamics, an International Journal, 16(5), 313-321.
Hassanzadeh, Y., Hakimzadeh, H. and Ayari, SH. (2012).  Study the effects of bridge pier shape on the flow pattern using the Fluent. Iran Water Recourses Research, 7(4): 95-105 (In Persian). 
Hassanzadeh, Y., Kardan, N. and Hakimzadeh, H. (2015). 3D Numerical studying into combined models of pier shape and slot in reducing the bed shear stresses starter of scouring around the bridge pier. Journal of Civil and Environmental Engineering, 44(4): 39-50 (In Persian).
Kardan, N., Hakimzadeh, H. and Hassanzadeh, Y. (2014). 3D numerical simulation of hydrodynamic parameters around the bridge piers using various turbulence models. Journal of Irrigation Science and Engineering, 37(4): 39-54 (In Persian).
Khosronejad, A., Kang, S. and Sotiropoulos, F. (2012). Experimental and computational investigation of local scour around bridge piers. Advances in Water Resources, 37, 73-85.
Kim, H.S., Nabi, M., Kimura, I. and Shimizu, Y. (2014). Numerical investigation of local scour at two adjacent cylinders. Advances in Water Resources, 70, 131-147.
Melville, B.W. and Chiew, Y.M. (1999). Time scale for local scour at bridge piers. J. Hydraulic Engineering, ASCE, 125(1), 59-65.
Mohammadi, R. (2006). Investigating the local scouring phenomenon around cylindrical piers under steady currents using physical models. MS.C Thesis in Marine Structures, Faculty of Civil Engineering, Sanad University of Technology, Tabriz, Iran. 
Salaheldin, T.M., Imran, J. and Chaudhry, H. (2004). Numerical modeling of three-dimensional flow field around circular piers. J. Hydraulic Engineering, ASCE, 130(2), 91-99.
Smith, H. and Foster, D. (2005). Modeling of flow around a cylinder over a scoured Bed. J. waterway, port, coastal, and ocean engineering, 1(14), 101-118.
Tseng, M.H., Yen, C.L. and Song, C.C.S. (2000). Computation of three-dimensional flow around square and circular piers. International J. for Numerical Methods in Fluids, 34(3), 207-217.
Van Rijn, L.C. (1984). Sediment transport, Part I: bed load transport. J. Hydraulic Engineering, 110(10), 1431-1456.