آبشکن ها دیواره های عرضی هستند که در کنار ساحل رودخانه، ساخته شده و به حفاظت دیواره ها کمک می کنند. از نظر هیدرودینامیکی، تقابل بین آبشکن های متخلخل واقع در مسیر جریان و سیال اطراف آن پیچیده بوده و محاسبات نیرو بر روی آن ها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این تحقیق با استفاده از روش جدیدی، در ترکیب نتایج آزمایشگاهی با حل عددی، میدان سرعت جریان پیرامون آبشکن های توری سنگی با تخلخل های متفاوت، در آزمایشگاه اندازه گیری شده و با داشتن میدان جریان، بروش عددی، معادلات میانگین زمانی ناویر-استوکس (Time-Averaged Navier-Stokes equation) برای جریان آشفته حل می شوند و توزیع میدان فشار پیرامون آن ها به دست می آید. سپس با استفاده از میدان فشار نیروی درگ (Drag force) وارد بر آبشکن ها و ضریب درگ بررسی می شود. شبکه بندی این پژوهش از نوع شبکه بندی جابه جا شده پسرو سه بعدی غیریکنواخت می باشد. نتایج نشان داد که جدایش جریان برای آبشکن ها با افزایش تخلخل کاهش می یابد. همچنین با افزایش درصد تخلخل، نیرو و ضریب درگ کاهش یافته و در نهایت ضریب دراگ براساس درصد تخلخل آبشکن ها، با برازش منحنی درجه سوم ارایه شد.

نرم افزار Flow-3D یکی از ابزار پویایی سیالات محاسباتی می باشد که برای حل معادلات ناویراستوکس در حالات مختلف برای تعیین الگوی جریان طراحی شده است. یکی از انواع جریانهای پیچیده، که از گذشته تاکنون بسیار مورد توجه بوده، جریان پیرامون آبشکن می باشد. علاوه بر آن، اگر این سازه در قوس قرار گیرد، تعیین مولفه های سه بعدی سرعت جریان به مراتب پیچیده تر می گردد. با توجه به سختی انجام آزمایشها در حالات مختلف، و با در نظر گرفتن فراسنجهای متفاوت موثر در تعیین الگوی جریان، نقش نرم افزارهای عددی، از جملهFlow-3D ، بیشتر نمایان می شود. در این مقاله، با توجه به داده های آزمایشگاهی موجود در مورد آبشکن T شکل مستقر در قوس 90 درجه با بستر صلب، به بررسی مولفه های سه بعدی سرعت خروجی از نرم افزار Flow-3D، و مقایسه آنها با نتایج آزمایشگاهی پرداخته شده است. مولفه های سه بعدی سرعت در مقاطع مختلف طولی، عرضی و مسطحه مقایسه، و مقدار متوسط خطای داده های عددی در حالات مختلف محاسبه شدند. بیشترین مقدار متوسط خطای مشاهده شده بین شبیه عددی و آزمایشگاهی مربوط به داده های سرعت عمقی جریان در مقطع عرضی بوده، که این خطا برابر با 17 درصد می باشد. همچنین، مقادیر متوسط خطای اندازه گیری شده مربوط به سرعتهای طولی و عرضی جریان نیز به ترتیب برابر با 6 و 10 درصد می باشد. بطور کلی، نتایج به دست آمده حاصل از مقایسه های صورت گرفته بیانگر تطابق مناسب بین شبیه عددی Flow-3D و داده های آزمایشگاهی می باشند و این به معنای توانایی بالای این نرم افزار در شبیه سازی الگوی جریان پیرامون سازه های آبی موجود در قوس رودخانه نظیر آبشکن است.

در این تحقیق، بصورت آزمایشگاهی، تاثیر سازه های کنترل رسوب از قبیل آستانه، آبشکن و صفحات مستغرق و نیز ترکیب آنها با ابعاد مختلف بر توپوگرافی بستر از بالادست تا پایین دست آبگیر جانبی 90 درجه در یک کانال مستقیم و نیز بر ابعاد ناحیه آبشستگی در پایین دست آبگیر در کانال اصلی مورد بررسی قرار گرفته است. تحقیقات در شش سامانه کنترل رسوب و در سه نسبت آبگیری 12/0، 15/0 و 18/0 انجام شده است. نتایج نشان می دهد هم تک تک سازه ها و بویژه صفحات مستغرق و آبشکن و هم ترکیب آنها و بعلاوه ابعاد سازه های مذکور، موجب تاثیرات چشمگیری بر توپوگرافی بستر در بالادست، جلوی دهانه آبگیر و پایین دست آبگیر در کانال اصلی و بویژه در اطراف ساحل متصل به آبگیر میشود که قاعدتا بر میزان رسوب ورودی به آبگیر اثرگذار خواهد بود و نتایج محققین قبلی نشان میدهد ترکیب سازه های مذکور تحت شرایطی میتواند بیش از 90 درصد رسوب ورودی به آبگیر را کاهش دهد. همچنین سازه های مذکور و ترکیب آنها با ابعاد مختلف، بر ابعاد و مساحت ناحیه آبشستگی بسیار موثر است ولی رفتار آنها در نسبتهای مختلف دبی انحرافی، متفاوت است. در حالیکه آستانه در جلوی آبگیر باعث انباشت رسوب میشود ولی در نسبت آبگیری 0. 12، 0. 15 و 0. 18 بترتیب کاهش 43 و 59 درصدی و افزایش 19 درصدی حداکثر عمق آبشستگی در پایین دست آبگیر در اطراف ساحل میشود که این میزان برای آبشکن بترتیب افزایش 75 و 75 و کاهش 49 درصدی میباشد. و با افزودن صفحات مستغرق به ترکیب آستانه و آبشکن بطور متوسط کاهش 21 درصدی را تجربه میکند در حالیکه در تمام نسبتهای آبگیری هم آبشکن و هم صفحات مستغرق در جلو و بالادست آبگیر موجب آبشستگی میشوند. همچنین آستانه و آبشکن بطور متوسط بترتیب باعث کاهش 59 و افزایش 155 درصدی مساحت ناحیه آبشستگی میشوند در حالیکه صفحات مستغرق در نسبت آبگیری 0. 12، 0. 15 بترتیب کاهش 28 و 84 درصدی را تجربه میکند در حالیکه در نسبت آبگیری 0. 18 تغییر چندانی ایجاد نمیکند.

کنترل رسوب در آبگیرها همواره از مسائل پیچیده مهندسی رودخانه است. در این تحقیق، شبیه سازی عددی تاثیر صفحات مستغرق و آب شکن در کنترل رسوب ورودی به آبگیر جانبی به کمک نرم افزار SSIIM2 صورت گرفته است. به منظور هدایت جریان به سمت آبگیر و افزایش کارآیی صفحات، از آب شکن در سمت مقابل آبگیر استفاده و اثر پارامترهای طول آب شکن و فاصله آن از مقابل آبگیر در زاویه 90 درجه با جریان در کانال اصلی به ازای نسبت های مختلف دبی آبگیری بر حجم رسوبات وارد شده به آبگیر مورد بررسی قرار گرفت. با افزایش مقدار دبی انحرافی سرعت جریان در داخل آبگیر نیز افزایش می یابد که باعث انتقال رسوبات به پایین دست آبگیر شده و از انباشت رسوبات در داخل آبگیر جلوگیری می کند. نتایج تحقیق نشان داد که کارآیی صفحات با احداث آب شکن در ضلع مقابل آبگیر افزایش پیدا کرده و مقدار ورود رسوبات به آبگیر کاهش پیدا می کند. با نصب آب شکن در بالاتر از آبگیر (به سمت ورودی کانال اصلی) سطح رسوبات در مقابل آبگیر به دلیل افزایش سرعت جریان، پایین تر می رود و با این عمل، آستانه ای در مقابل آبگیر ایجاد می شود که مانع ورود رسوبات به داخل آبگیر خواهد شد. سپس نتایج عددی حاصل از تحقیق با نتایج آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفت که مطابقت خوبی بین مقادیر فاصله حاصله و نتایج آزمایشگاهی دیده شد.

آبشکن یکی از سازه های حفاظتی برای ساماندهی رودخانه است که اهمیت بسیاری داشته و به منظور جلوگیری از فرسایش در رودخانه احداث می شوند. به منظور ارایه طرحی که از لحاظ فنی و اقتصادی بهینه باشد، از مدل بهینه سازی چند هدفه استفاده شده است. در تحقیق حاضر طراحی هیدرولیکی و همچنین طراحی سازه ای آبشکن در قالب یک مساله بهینه سازی فرمول بندی شده که برای حل آن از الگوریتم NSGA-II استفاده شده است. توابع هدف مدل بهینه سازی شامل حداقل سازی هزینه ها و حداکثر سازی انتقال بار رسوب به صورت همزمان در نظر گرفته شده است. هدف اول برای مقرون به صرفه کردن طرح و تابع هدف دوم بر اساس تعاریف پایداری رودخانه به منظور پایدار ماندن رودخانه لحاظ شده است. واسنجی مدل با استفاده از اطلاعات رودخانه زنجانرود معادله بار بستر و آبشستگی انجام و مدل نسبت به تغییر پارامترهای ورودی دبی جریان و شیب طولی حساسیت سنجی و تاثیر آن روی پارامترهای خروجی بررسی شده و صحت سنجی مدل با اطلاعات سازه ای مطالعه موردی انجام شد. جبهه جواب مساله بهینه سازی بر اساس توابع هزینه و بار بستر استخراج شد. با مقایسه پنج طرح بهینه از جبهه جواب با طرح موجود و نقطه ایده آل نتایج نشان می دهد طرحی که به عنوان طرح منتخب از بین 5 سناریو برگزیده شده نزدیکترین نتیجه را با نقطه ایده آل دارد. طرح منتخب به اندازه64/95 % هزینه کمتر و 39/96 % بار رسوب انتقالی را نسبت به طرح موجود افزایش می دهد.

در این تحقیق بصورت آزمایشگاهی، تاثیر ترکیب سازه های آستانه، آبشکن و صفحات مستغرق بر کنترل رسوب بستر ورودی به آبگیر جانبی 90 درجه از یک کانال مستقیم و نیز ابعاد آبشستگی در پایین دست آبگیر در کانال اصلی مورد بررسی قرار گرفته است. تحقیقات در چهار حالت بدون سازه، حالت فقط آستانه، حالت آستانه و آبشکن و حالت آستانه، آبشکن و صفحات مستغرق و در سه نسبت آبگیری 12/0، 15/0 و 18/0 انجام شده است. در هر حالت نسبت رسوب انحرافی، نسبت حجم رسوب انباشته در آبگیر، پروفیل عرضی بستر و طول، عرض و عمق ناحیه آبشستگی مورد تحقیق قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد در نسبتهای آبگیر مذکور، در حالت آستانه و آبشکن بطور متوسط 90 درصد رسوب ورودی به آبگیر کاهش می یابد ولی آبشستگی در پایین دست آبگیر در مقایسه با حالت بدون سازه بیش از 55 درصد افزایش می یابد در حالیکه حالت آستانه، آبشکن و صفحات مستغرق علاوه بر اینکه توانسته است تقریبا از ورود تمام رسوبات بستر به آبگیر جلوگیری کند و راندمان 100 درصدی داشته باشد، در نسبتهای آبگیری بالاتر از 15/0 میزان آبشستگی را نسبت به حالت بدون سازه، کاهش داده و در نسبت آبگیری 18/0 به کمتر از نصف رسانده است.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.