مدل‌سازی عددی تأثیر شکل پایه‌های پل بر روی تنش برشی بستر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

پایة پل‌های بنا شده در عرض رودخانه‌ها، همواره مستعد پدیده‌های فرسایش و آبشستگی هستند. تنش برشی بستر یکی از عوامل اساسی در آبشستگی در اطراف پایة پل‌هاست که رابطه‌ای مستقیم میان آن‌ها وجود دارد. در تحقیق حاضر، ابتدا برای صحت‌سنجی مدل از نتایج آزمایشگاهی پایة پل استوانه‌ای شکل استفاده شد و در ادامه به مطالعه تأثیر شکل پایه‌های پل بر روی تنش برشی در کف بستر و سایر پارامترهای مؤثر با مدل‌سازی عددی و نرم‌افزار Flow-3D پرداخته شده است. شکل مقاطع پایه‌ها تغییر قابل توجهی در تنش برشی بیشینه را نشان داد. بیشترین تنش برشی در اطراف پایة استوانه‌ای رخ می‌دهد و مقطع عدسی شکل بهترین عملکرد در کاهش تنش برشی بستر را با کاهشی %26 داشته است. این عملکرد بر روی خطوط جریان در اطراف مقاطع و مشخصاً نحوة تشکیل، طول و قدرت گردابه‌های برخاستگی و نعل اسبی تأثیرگذار بوده است. به گونه‌ای که جریان‌ با سرعت 1/0- متر بر ثانیه در مقطع استوانه‌ای، طول 2/0 متری را در پشت پایه تحت تأثیر قرار داده است ولی در مقطع عدسی شکل کاهش 40% سرعت‌های منفی نسبت به استوانه‌ای را در پشت پایه مشاهده نشان می‌دهد. در مجموع، مقاطعی که دارای پیشانی در مقابل عبور جریان بودند، جریان پایین روندۀ قوی‌تری در پیشانی پایه را سبب شدند. در این مقاطع در بستر جریان به دلیل حضور گردابه‌های نعل اسبی، جریان به سمت بالادست حرکت می‌کند که موجب وقوع سرعت‌های منفی قوی‌تری در این ناحیه می‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Numerical Modelling of the Effect of Bridge Piers Shape on Bed Shear Stress

نویسندگان [English]

  • Hamid Fatahi
  • Mirali Mohammadi
Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering. Urmia University, Urmia, Iran
چکیده [English]

Bridge piers, which are constructed across the rivers, are always prone to the erosion and scouring phenomena. Bed shear stress is one of the main factors of scouring around bridge piers in which there is a direct relationship between bed shear stress and scouring. In the present research work, firstly the laboratory results of cylindrical bridge piers were used for validation of the model, and then the effect of bridge pier’s shape on bed shear stress and other effective parameters were studied by numerical modeling and applying Flow-3D software. The cylinder pier experienced the highest amount of bed shear stress. In contrast, the case lenticular shape showed 26% reduction with cylinder shape occurs. The results show that different pier shapes have a perceptible effect on reducing the maximum amount of bed shear stress. This function affects streamlines around the bridge piers, and the formation, length, and power of wake and horseshoe vortexes. So that, streams having -0.1m/s behind the cylinder affected the length of 0.2m but in lenticular shape, 40% decrease appears. Additionally, the piers with a forehead causes a stronger down-flow. In those sections, because of the presence of horseshoe vortex, streamlines shift to the upstream, so that the negative velocity figures occur in this region.

کلیدواژه‌ها [English]

  • bridge pier
  • bed shear stress
  • horseshoe vortex
  • FLOW-3D

مراجع

Besharati Givi, M. H., and Hakimzadeh, H. (2010). 3D Numerical Investigation of Flow pattern and Bed Shear Stress Around Conical Piers. Marine Engineering Journal, 6(11), 63-70 [In Farsi].
Bouabdellah, G., Seddini, A., and Ghenim, A. (2013). Numerical Investigations of the Bridge Pier Shape Influence on the Bed Shear Stress. Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 18, 5685-5698.
Ferdous, A., and Nallamuthu, R. (1988). Flow Around Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering, 124, 288-300.
Guemou, B., Seddini, A., and Ghenim, A. N. (2018). Scour around Bridge Piers: Numerical Investigation of the Longitudinal Biconcave Pier Shape. Periodical Polytechnica Mechanical Engineering, 62(4), 298-304.
Ghaderi, A., and Abbasi, S. (2019). CFD simulation of local scouring around airfoil-shaped bridge piers with and without collar. Sādhanā, 44(10), 1-12.
Hassanzadeh, Y., Hakimzadeh, H., and Ayari, S. (2011). Study the Effects of Bridge Pier Shape on the Flow Pattern Using the Fluent Software. Iran-Water Resources Research, 7(4), 95-105 [In Farsi].
Kalalei, F. (2012). Numerical Simulation of the Flow Pattern Around the Sloping Base of the Bridge. Master Thesis, Azad University of Tehran [In Farsi].
Mohammadi, M. (2020). Applied Hydraulics (1th ed.). Urmia University Publications. [In Farsi].
Mohammadi, M. (2001). Boundary shear stress around bridge piers. In Bridging the Gap: Meeting the World's Water and Environmental Resources Challenges (pp. 1-8).
Mohammadi, M. (2008). Boundary Shear Stress around Bridge Piers. American Journal of Applied Sciences, 5(11), 1547-1551. doi: 10.3844/ ajassp. 2008. 1547.1551
Mutlu Sumer, B., and Fredsøe, J. (2006). Hydrodynamics Around Cylindrical Structures. World Scientific.
Majedi-Asl, M., Daneshfaraz, R., Fuladipanah, M., Abraham, J., Bagherzadeh, M. (2020). Simulation of bridge pier scour depth base on geometric characteristics and field data using support vector machine algorithm. Journal of Applied Research in Water and Wastewater, 7(2), 137-143. doi: 10.22126/arww.2021.5747.1189
Peggy A, J., and Sterling Jones, J. (1992). Shear Stress at Base of Bridge Pier. transportation research record, 14-18.
Qasem Zadeh, F. (2018). Simulation Hydraulic Problems in Flow-3D. Tehran: Noavar [In Farsi].
Rashki, M., Sadri, E., and Akbari, G. H. (2013). Investigation of Flow Pattern and Shear Stress Around Arched Base in Comparison with Simple Bridge Base. Seventh National Congress of Civil Engineering. Zahedan, Iran [In Farsi].
Sadat Jafari, M., and Ayubzadeh, S. A. (2016). Simulation of Flow Pattern Around Inclined Bridge Group Pier Using Flow-3D Software. Journal of Water and Soil, 30(6), 1860-1873 [In Farsi].
Salaheldin, T. M., Imran, J., and Hanif Chaudhry, M. (2004). Numerical Modeling of Three-Dimensional Flow Field Around. JOURNAL OF HYDRAULIC ENGINEERING, 130(2), 91-100.
Taheri, Z.,and Ghomeshi, M. (2019). Experimental Investigation of the Effect of Collar on Local Scour around Oblong Shaped Bridge Pier. Amirkabir Journal of Civil Engineering, 51(5), 833-842. doi: 10.22060/ ceej. 2018. 13888. 5518
Wei, G., Chen, H., Ting, B., Gudavalli, S., and Perugu, S. (1997). Numerical Simulation to study Scour Rate in Cohesive Soils. Research report to the.
 
تحقیقات آب و خاک ایران
دوره 53، شماره 3
خرداد 1401
صفحه 559-570

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار