چکیده

آبشکن T شکل با توجه به وضعیت دماغه، در تثبیت سواحل رودخانه و دریا نتایج مناسبی را ارائه کرده است. در طراحی این سازه ها، مهمترین مسئله پایداری سازه به علت آبشستگی در دماغه بوده که تحلیل نتایج سرعت در کف و دیواره مجاور آبشکن از اهمیت بالائی برخوردار میباشد. به منظور حفاظت از سواحل خارجی در برابر فرسایش در کانالهای قوسی شکل، مطالعه الگوی جریان و مقدار تنش برشی در مجاورت دیواره بدون و با حضور آبشکن مورد توجه است. در این مقاله با استفاده از مدل DELFT3D-FLOW وضعیت آبشکن T شکل در موقعیت ۴۵ درجه موجود در دیواره خارجی قوس ۹۰ شبیه سازی شده است. مقایسه الگوی جریان نشان میدهد که سرعتها به تدریج قبل از آبشکن در مجاورت دیواره کاهش یافته و این کاهش تا انتهای خم ادامه داشته که نتایج مطلوبی را به همراه خواهد داشت.

کلمات کلیدی: آبشکن T شکل، DELFT3D-FLOW، حفاظت سواحل، الگوی جریان

مقدمه

حفاظت از سواحل رودخانهها و دریاها با انواع سازههای هیدرولیکی به مانند آبشکن T شکل در عمر مفید سازه که معمولا در این گونه موارد ۲۵ سال منظور شده که یکی از بهترین ایدهها میباشد. آبشکنها سازههای متقاطع حفاظتی در مقابل جریان در رودخانهها میباشند. هر الگوی جریان در مسیرهای مستقیم از شکل لگاریتمی مناسبی تبعیت میکند. در مسیرهای قوسی شکل به دلیل وجود نیروی جانب مرکز و تغییرات تراز سطح آب، موجب ایجاد جریان ثانویه در مقطع عرضی و جریان حلزونی در فضای سه بعدی میشود. این جریان اثر زیادی بر روی تغییر الگوی پروفیل سرعت در جهت عرضی خواهد داشت .[۱] این جریان ثانویه موجب انحراف جریان به سمت قوس خارجی در سطح سیال و بلعکس در مجاورت کف به سمت قوس داخلی خواهد شد. اگر نسبت شعاع انحناء قوس به پهنای مقطع خم رودخانه بیشتر از ۴ باشد جریان ثانویه در طول قوس به طور کامل ایجاد شده که به آن جریان ثانویه توسعه یافته گفته می شود . در این موارد بیشترین فرسایش را در جداره خارجی

که همان ساحل مورد نظر ما می باشد خواهیم داشت . اگر بتوان با ایجاد آبشکن T شکل در ساحل خارجی از روند رو به رشد قدرت جریان ثانویه در قوس جلوگیری نمود، میتوان تا حدود قابل توجهی از ساحل حفاظت نمود . بنابراین شناسائی موقعیت مناسب نصب آبشکن از جمله مطالب مورد اهمیت در حفاظت سواحل میباشد.

در زمینه مطالعات جریان در قوس افراد زیادی مطالعاتی را انجام دادهاند که از پیشگامان مطالعه بر روی قدرت جریان ثانویه در مسیرهای قوسی، شکری را می توان نام برد، ایشان با استفاده از مدل فیزیکی یک فلوم با زاویه مرکزی ۴۵ تا ۱۸۰ را به منظور بدست آوردن الگوی جریان در جداره خارجی مورد بررسی قرار داد و به منظور تعیین قدرت جریان ثانویه رابطهای را بیان نموده است. [۱۲] زنگ و همکارانش الگوی جریان در مجاورت آبشکن تیغهای با بستر تغییر شکل یافته را به دو صورت آزمایشگاهی و عددی مورد بررسی قرار دادهاند. در مدل ایشان سعی در اصلاح مدل k- برای بهبود الگوی جریان در مجاورت موانع هیدرولیکی شده است. مدل آزمایشگاهی ایشان فلوم مستقیمی به طول ۸ متر و پهنای ۴۰ سانتیمتر با عمق ۴۰ سانتیمتر میباشد. همچنین ایشان بیان نمودهاند که پیش آمدگی آبشکنها تغییرات مهمی را در الگوی جریان و شکل بستر خواهد داشت . [۱۱ ]

معادلات حاکم بر جریان

-۱ تنش برشی بستر: تنش برشی در حالت سه بعدی، ، به صورت رابطه (۱) بدست میآید.
۳D b

( ۱ ) | g u b | u 0
b b3D =
C23D
در معادله (۱)، u b بر حسب ( ( m/s اندازه سرعت افقی در لایه اول بالای بستر و C3D برحسب ) ) m1/2/s ضریب زبری
شزی در حالت سه بعدی خواهد بود. البته رابطه ساده تری هم برای تعیین ضریب زبری در حالت دو بعدی می باشد و با در نظر گرفتن مقداری خطا برای حدس اولیه می توان از آن استفاده نمود . [۸]

-۲ ضریب زبری: در مدل Delft 3D -Flow ضرایب زبری Chezy , Manning و طول زبری nikuradse به عنوان پارامتر های زبری به طور مستقیم مورد استفاده قرار می گیرند. پارامتر های Z0 هم در این برنامه گنجانده شده و فقط در حالت سه بعدی فعال می باشد و با توجه به سه پارامتر زبری دیگر بدست می آیند. پارامتر شزی در حالت سه بعدی به صورت رابطه (۲) بیان می شود : [۷ ]
E  
(۲) g
 Ln۱ C3D 
۲Z K
 
 ۰ 
که Z0 طول زبری بستر و Zb ضخامت لایه بستر که هر دو بر حسب (m) و K ثابت ون کارمن می باشد.
-۳ تنش برشی در مرزهای بسته : تنش برشی مماسی ، ، در دیواره های دو طرف طبق رابطه (۳) محاسبه می شود:
(۳) = u* =
2

که در رابطه (۳)، u* ، سرعت برشی بر حسب ( ( m/s و توسط قانون لگاریتمی دیوار تعیین می شود.

-۴ مدل های بسته اغتشاشی : Delft 3D – Flow شامل چهار مدل معمول در محاسبه اغتشاش می باشد که عبارتند از: K-، K-L ، Algebraic و .Contant در بین این چهار معادله کلی برای محاسبه اغتشاشات معمولا مدل K- به علت مرتبه دوم بودن ( که شامل انرژی اغتشاش ، K و اتلاف انرژی ، ) نتایج بهتری را به نمایش می گذارند. یکی از این مدل ها به همراه معادله انتقال حل خواهد شد و در رابطه (۴) به آن اشاره شده است . [۸]

(۴)  k   k   k  u  k

 d   G  G t
k  ۳D   ۱
PkPkwBk  
  mol    ۲
  N   ( (d 
 
 
در رابطه (۴) P ترم انرژی جنبشی اغتشاشی بر حسب ( m2 /s 3 )، P ترم انرژی جنبشی اغتشاشی به علت حضور موج
K KW
در مدل، B ترم شار شناوری بر حسب ( ( m2 /s 3 برای انرژی جنبشی اغتشاشی، اتلاف انرژی جنبشی بر حسب
K
3 2 8