پژوهش آب ایران

پژوهش آب ایران

شبیه‌سازی عددی توزیع سرعت جریان حاوی رسوبات معلق در کانال باز با مدل FLOW-3D

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه علوم و مهندسی آب، دانشگاه اراک
2 گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج
3 گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشکدگان کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران،
چکیده
توزیع سرعت در جریان حاوی رسوبات معلق از پارامترهای مهم در برآورد دبی بار معلق در رودخانه‌ها محسوب می‌شود که برآورد دقیق‌تر آن سبب افزایش دقت در برآورد دبی بار معلق خواهد شد. در تحقیق حاضر، به‌منظور شبیه‌سازی عددی توزیع سرعت جریان حاوی رسوبات معلق از نرم‌افزار FLOW-3D استفاده شده است. برای این منظور، مدل عددی با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی معتبر واسنجی و صحت‌سنجی گردید. پس از بررسی مدل‌های آشفتگی مختلف، مدل K-ε به‌عنوان مدل آشفتگی برتر انتخاب شد. همچنین نتایج مدل‌سازی نشان داد که مدل عددی FLOW-3D دقت قابل‌قبولی در برآورد مقادیر سرعت در عمق‌‌های مختلف دارد؛ به‌طوری‌که خطای آن در برآورد مقادیر سرعت در عمق‌های مختلف برای داده‌های آزمایشگاهی ونونی و اینشتین و شن به‌ترتیب برابر با 12/6 و 75/3 درصد می‌باشد. به‌طورکلی، مدل عددی در عمق‌های کم (ناحیه داخلی توزیع سرعت) مقادیر سرعت را بیشتر و در عمق‌های بیشتر (ناحیه خارجی) مقادیر سرعت را کمتر از مقادیر آزمایشگاهی شبیه‌سازی کرده است. پس از اطمینان از نتایج مدل عددی، اثر تغییر در پارامترهایی همچون قطر، غلظت رسوبات معلق و زبری بستر بر توزیع سرعت جریان شبیه‌سازی گردید. نتایج نشان داد که عملکرد نرم‌افزار FLOW-3D در برآورد توزیع سرعت جریان حاوی رسوبات معلق در شرایط مختلف هیدرولیکی جریان بهتر از روابط تجربی است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

1.       Cioffi, F. and Gallerano, F., 1991. Velocity and concentration profiles of solid particles in a channel with movable and erodible bed. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 129(3), pp.387–401. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9429(1991)117:3(387).
 
2.       Coleman, N.L., 1986. Effects of suspended sediment on the open-channel velocity distribution. Water Resources Research, 22(10), pp. 1377–1384. doi: 10.1029/WR022i010p01377.
 
3.       Einstein, H.A. and Chien, N., 1955. Effects of heavy sediment concentration near the bed on the velocity and sediment distribution. Report No. 8, U.S. Army Corps of Engineers, Missouri River Division, University of California.
 
4.       Elata, C. and Ippen, A.T., 1961. The dynamics of open channel flow with suspensions of neutrally buoyant particles. Technical Report No. 45, Hydrodynamics Lab, MIT.
 
5.       Parker, G. and Coleman, N.L., 1986. Simple model of sediment-laden flows. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 112(5), pp.356–375. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9429(1986)112:5(356).
 
6.       Tsai, C.H. and Tsai, C.T., 2000. Velocity and concentration distributions of sediment-laden open channel flow. Journal of the American Water Resources Association, 36(5), pp. 1075–1086. doi: 10.1111/j.1752-1688.2000.tb04299.x.
 
7.       Umeyama, M. 1992. Vertical distribution of suspended sediment in uniform open-channel flow. Journal of Hydraulic Engineering, 118(6), pp. 936–941. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9429(1992)118:6(936).
 
8.       Umeyama, M., 1999. Velocity and concentration fields in uniform flow with coarse sands. Journal of Hydraulic Engineering, 125(6), pp.653–656. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9429(1999)125:6(653).
 
9.       Van Rijn, L.C., 1993. Principles of sediment transport in rivers, estuaries and coastal seas. Netherlands: Aqua Publications.
 
10.    Vanoni, V.A., 1946. Transportation of Suspended Sediment by Water. Transactions of the ASCE, 111, pp. 67–133. doi: 10.1061/TACEAT.0005975
 
11.    Yu, K., Yoon, B. and Kim, D., 2014. Re-evaluation of change of mean velocity profiles in turbulent open-channel flows due to introducing sediment particles. KSCE Journal of Civil Engineering, 18(7), pp. 2261-2267. doi:10.1007/s12205-014-0055-8. doi: 10.1007/s12205-014-0055-8.
 
12.    Omid, M.H. and Nasrabadi, M. 2012. Sedimentation Engineering. Chapter 2. University of Tehran Press. 798p. (in Persian).
 
13.    Nasrabadi, M., Riahi, S. and Eslahi, N., 2012. Investigation of velocity distribution in flow containing suspended sediments. 9th International Seminar on River Engineering, February 2012, Ahvaz, Shahid Chamran University. (in Persian).
 
14.    Nasrabadi, M., Riahi, S. and Samadi Borujeni, H., 2013. Evaluation of equations for distribution of suspended sediment concentration in open channels. Journal of Iranian Water Research, 8(14), pp. 175–185. https://doi.org/10.22059/ijswr.2025.377078.669846 (in Persian).
 
15.    Binesh, N. and Bonakdari, H., 2016. Presentation of a one-dimensional model for estimating velocity distribution in a narrow open channel. Modares Scientific and Research Journal of Civil Engineering, 16(5). https://mcej.modares.ac.ir/article-16-12124-en.html  (in Persian).
 
16.    Jafari, F., Abbaspour, A. and Hosseinzadeh Dalir, A., 2016. Numerical investigation of velocity profiles in open channels with rough bed. Journal of Soil and Water Science, 26(1), pp. 81–93.
 
17.    Keulegan, G.H., 1938. Laws of turbulent flow in open channels. Journal of Research, National Bureau of Standards, 21, pp. 707–741. https://doi.org/10.6028/jres.021.039
 
18.    Coles, D., 1956. The law of the wake in the turbulent boundary layer. Journal of Fluid Mechanics, 1, pp.191–226. https://doi.org/10.1017/S0022112056000135
 
19.    Guo, J. and Julien, P.Y., 2008. Application of the Modified Log-Wake Law in Open-Channels. Journal of Applied Fluid Mechanics,1(2), pp. 17-23.
 
20.    Schlichting, H., 1979. Boundary Layer Theory. New York: McGraw-Hill. 814p.
 
21.    Nordin, C.F. and Dempster, G.R., 1963. Vertical distribution of velocity and suspended sediment, Middle Rio Grande, New Mexico. U.S. Geological Survey Professional Paper 462-B, 21 pp.
 
22.    Patel, P. and Sarkar, A., 2023. Entropic velocity distribution for sediment-laden flows with a modified dip estimation model at data-scarce river sites. Hydrological Sciences Journal, 69(6), pp. 746–764.
 
23.    Vanoni, V.A. and Nomicos, G.N., 1960. Resistance properties of sediment-laden streams. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 125(1), pp. 1140–1175.
 
24- Yang, S. Q., Tan, S. K., and Lim, S. Y., 2004. Velocity distribution and dip-phenomenon in smooth uniform open channel flows. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 130(12), pp. 1179–1186.
 

  • تاریخ دریافت 18 مرداد 1404
  • تاریخ پذیرش 04 مهر 1404
  • تاریخ انتشار 01 دی 1404