خلاصه

یکی از عوامل اثرگذار در میزان نیروهای وارده بر پایه پل، شکل هندسی پایه است که تاثیر زیادی بر نحوه جداشدگی جریان و افزایش آبشستگی در اطراف پایه پل دارد. هدف از این پژوهش بررسی اثر شکل پایه پلهای مربعی و دایرهای شکل بـر میـدان جریـان و نیـروهـای وارد بـر آنهـا بـا استفاده از نرمافزار Fluent میباشد. نتایج شبیهسازی نشان میدهد که گردابههای تشکیل شده در پشت پایه مربعی قویتـر و طـول گسـتره آن نیـز بیشتر از پایه دایرهای شکل میباشد ۱/۳۵) برابر). همچنین نتایج شبیهسازی نشان میدهد که سرعت جریان در جلو پایه دایرهای (به دلیـل همبسـتگی بیشتر با خطوط جریان) بیشتر از پایه مربعی (به دلیل حجیم بودن یک انسداد در مقابل جریان ایجـاد مـیکنـد و باعـث بـر هـم زدن خطـوط جریـان میشود) میباشد ۱/۴) برابر). بعلاوه میزان نیروی افقی (نیروی درگ) وارده بر پایه مربعی ۱/۵) برابر) بیشتر از پایه دایرهای شکل میباشد.

کلمات کلیدی: میدان جریان، نیروی درگ، نیروی لیفت، شبیهسازی عددی.

.۱ مقدمه

اضافه نمودن هر گونه مانع در مسیر جریان رودخانه، باعث به هم زدن خطوط جریان و ایجاد جریانهای چرخشی می شود .این پدیده منجـر بـه وارد شدن نیروئی نوسانی در جهت جریان (نیروی درگ) و نیروی نوسانی دیگری در جهت عمود بر جریان (نیروی لیفت) به پایه پل می شود. از آنجایی که این نیروها به صورت جانبی به پایه وارد شده و ماهیت نوسانی نیز دارند، در طراحی پایه پل اثر گذار است و طراح پل باید تمهیـد مناسـبی بـرای کاهش اثر نیروها و اطمینان از صحت طرح خود داشته باشد .یکی از عوامل اثرگذار در میزان نیروهای وارده، شکل مقطع پایه پل است .شـکل پایـه روی نحوه جداشدگی جریان و به تبع آن روی شدت وقوع پدیده شکست گردابه، اثرگذار است .[۱]

همچنین می توان با انتخاب شکل مقطع مناسب برای پایه پل، نیروهای وارد به پایه را کمتر کرد. از طرفـی شـکل مقطـع پایـه پـل بـا تأثیرگـذاری بـر چرخش گردابه های تشکیل شده در بستر، بر آبشستگی نیز مؤثر خواهد بود. هدف اصلی این پژوهش بررسی تأثیر شکل مقاطع پایه پلهـای مربعـی و دایرهای شکل بر روی الگوی جریان و نیروهای وارد بر آنها (نیروی درگ و نیروی لیفت) با استفاده از نرمافزار Fluent میباشد.

جریان عبوری از اجسام، دارای پیچیدگی های خاصی است که شبیه سازی ریاضی آن را بسیار مشکل می کند. همچنین معادله حاکم بر جریان لزج واقعی، معادله ناویر- استوکس است که حل آن به ویژه برای اعداد رینولدز بالا، به سادگی امکان پذیر نیست .در سال های اخیر تلاش های زیـادی برای مدل سازی جریان و پیش بینی پدیده فیزیکی مربوط به جداشدگی جریان حول اجسام در اعداد رینولدز بالا انجام شده است .اما در رابطه با اثر شکل سازه مقابل جریان روی پدیده شکست گردابه و نیروهای ناشی از آن مطالعات کمی انجام گرفته است .در این پژوهش میزان اثرگذاری شکل پایه روی پارامترهای شکست گردابه از جمله ضریب درگ و ضریب لیفت آنالیز شده است.

نحوه تشکیل پدیده شکست گردابه با بعد جسم (D)، جرم مخصوص سیال ( (  ، سرعت سیال (v) و لزجت دینـامیکی ( (  و بـه بیـانی دیگـر بـا عدد رینولدز جریان، Re  vl/ مرتبط است. در اعداد رینولدز بالا گردابه های تشکیل شده در دو طـرف پایـه ناپایـدار شـده و یـک گردابـه، بیشتر از دیگری رشد می کند و پدیده شکست گردابه را شکل میدهد.

۱دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی آب گرایش سازههای آبی
۲دانشیار گروه مهندسی آب دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهرکرد

فرکانس شکست گردابه به صورت تابعی از عدد رینولدز بیان میشود. فرکانس نرمال شده شکست گردابه، با کمیت بی بعدی به نـام عـدد اسـتروهال St  fvL /V بیان می شود. fv فرکانس شکست گردابه، V سرعت سیال و L طول مشخصه میباشد. جریان در اطراف پایه با تغییـر عـدد رینولـدز تغییراتی خواهد داشت که به تبع آن رژیم های جریان مختلفی را ایجاد می کند .[۲] در این رابطه عدد استروهال پارامتر مهمـی اسـت کـه محققـین زیادی جهت یافتن ارتباط آن با عدد رینولدز کار کرد هاند .با توجه به واژگان فنـی مـرتبط بـا رژیـم هـای جریـان و همچنـین محـدوده هـای اعـداد رینولدزی که در آن اتفاق می افتد، به نظر می رسد که اجماع کلی در بین نویسندگان مختلف وجود ندارد.

ویلییامسون [۳] به بررسی آزمایشگاهی تغییرات عدد استروهال برای محدوده اعداد رینولدز ۲*۱۰۴ تا ۱۰۷ پرداختند. در شکل (۱) نحـوه تغییـرات عـدد استروهال با عدد رینولدز و رژیم های مختلف جریان، که حاصل تحقیقات ویلیامسون میباشد، را نشان میدهد.

شکل -۱ عدد استروهال برای پایه دایرهای با سطح صاف بر اساس دادههای آزمایشگاهی ویلیامسون [۳]
نیروهای وارد به پایه با ضرایب بی بعد درگ ۱ DU 2) /( F C و ضریب لیفت، DU 2) 1 /( F C که تـابعی از عـدد رینولـدز هسـتند
D D L L
2 2

مشخص میشوند. رابطه کلی برای نیروی درگ عبارت است از:
(۳) sin())r d ۲ ( 
F
0 PCOS() 
۰ ۰ D

که فشار متوسط وارد به پایه،  زاویه وارد شدن نیرو و ۰
p  تنش برشی وارد به جدار پایـه مـیباشـد. دانشـمدانی ماننـد اسـکیو [۴] و رولانـد و
همکاران [۸] بر روی نیروی درگ و لیفت وارد بر پایه استوانهای تحقیقـاتی را انجـام دادهانـد. همچنـین در رابطـه بـا ارتبـاط ضـریب درگ بـا عـدد رینولدز ویسلزبرگر [۶] برای ۴۰ Re ۵* ۱۰۵ ، اسکیو [۴] برای Re ۱۰۵ و اشلیختینگ [۵] برای سـایر محـدوده هـای اعـداد رینولـدز مطالعاتی را انجام داده اند. لاندر [۷] نیز بر روی اثر شکل سطح مقطع (حالت های مستطیل و مربع) بر روی ضریب نیـروی لیفـت تحقیقـاتی را انجـام دادهاند.