سرعت جریان در کانال مرکب پیچان تحت تأثیر ضریب خمیدگی

Abstract

رودخانه­های طبیعی برای تنظیم شیب خط انرژی، به­ندرت در مسیری مستقیم جریان دارند و معمولاً دارای مسیری انحنادار هستند که به آن­ها پیچان­رود گفته می­شود. پس از پیدایش رودخانه­های پیچان، با گذشت زمان و حرکت جانبی پیچ­ها، میزان پیشروی قوس برونی افزایش یافته و مقدار ضریب خمیدگی یا سینوسی در پلان زیاد می شود. درکانال­های پیچان، میزان انحنا با عدد بی بعدی به نام ضریب خمیدگی تعریف می­شود که نسبت طول مسیر انحنادارکانال اصلی به طول مستقیم سیلاب دشت می­باشد. با افزایش مقدار ضریب خمیدگی، شیب، سرعت جریان و ظرفیت انتقال دبی رودخانه کاهش می یابد. در نتیجه خطر سیلابی شدن به طور قابل توجهی افزایش یافته و در هنگام بروز سیلاب، سطح آب از مقطع اصلی رودخانه فراتر رفته و وارد دشت های سیلابی آن می شود. در این حالت با توجه به اندرکنش بین جریان با سرعت بالا در کانال اصلی و جریان کندتر در سیلاب­دشت­ها و تبادل اندازه حرکت بین این دو ناحیه، مشخصات جریان دائماً در حال تغییر می­کند. در این تحقیق، مشخصات هیدرولیکی جریان شامل توزیع عرضی سرعت متوسط عمقی، پروفیل سطح آب، توزیع سرعت در طول، نسبت سرعت عرضی به طولی در محور مرکزی کانال اصلی، میزان سرعت متوسط و دبی عبوری از کانال اصلی، بردارهای سرعت در مقاطع مختلف عرضی و توزیع برآیند سرعت در سطوح مختلف افقی با توجه به تغییر ضریب خمیدگی برای شش نوع کانال با مقادیر سینوسی مختلف به صورت عددی مورد بررسی قرارگرفته است. برای بررسی اثر ضریب خمیدگی کانال مرکب پیچان روی مشخصات هیدرولیکی جریان، از نرم­افزار FLOW3D استفاده شده است و مدل آشفتگی این نرم­افزار نیز طوری انتخاب گردیدکه انطباق بهتری با داده های آزمایشگاهی داشته باشد. برای این منظور، از دو مدل آشفتگی پرکاربرد RNG و k-ε استفاده شد و عملکرد این دو مدل در شبیه­سازی مشخصه هیدرولیکی جریان مورد بررسی قرار گرفت و مشخص گردید که مدل آشفتگی RNG دارای دقت بیشتری می­باشد. در ادامه، این مدل به عنوان مدل آشفتگی نهایی برای شبیه سازی عددی معرفی گردید. در نهایت با بررسی کانال مرکب پیچان تحت تأثیر ضریب خمیدگی مختلف مشخص شد که با افزایش ضریب خمیدگی کانال از مقدار 1 به 1.641، مقدار سرعت متوسط مقطع کانال اصلی به طور میانگین 54% و میزان دبی عبوری از کانال اصلی به طور متوسط 38% کاهش می یابد. با افزایش ضریب خمیدگی، مقدار حداکثر سرعت متوسط عمقی از 0.55 به 0.38 متر برثانیه کاهش و مقدار حداکثر ارتفاع سطح آب از 0.305 به 0.332 متر در قوس بیرونی مقطع CS1 افزایش می یابد. افزایش مقدار ضریب خمیدگی باعث می شود نسبت سرعت عرضی به سرعت طولی در محور مرکزی کانال اصلی افزایش یافته به­طوری­که مقدار آن در بحرانی­ترین حالت از صفر به 0.4 می رسد. با افزایش ضریب خمیدگی، مقدار سرعت طولی حداکثر به سمت سیلاب­دشت سمت راست (خم داخلی) حرکت کرده و از مقدار آن کاسته می شود. به طوری­که با افزایش ضریب خمیدگی از 1 به 1.641، مقدار حداکثر سرعت طولی از 0.55 به 0.42 متر برثانیه کاهش یافته و موقعیت آن از مرکز کانال اصلی به سمت خم داخلی در بالای عمق لبریز کانال اصلی حرکت می­کند.