
تعداد نشریات | 13 |
تعداد شمارهها | 622 |
تعداد مقالات | 6,491 |
تعداد مشاهده مقاله | 8,611,806 |
تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 8,200,934 |
استخراج رابطه دبی-اشل مقاطع مرکب چندسیلابدشتی با مدلهای یک بعدی و دوبعدی | ||
مجله پژوهشهای حفاظت آب و خاک | ||
دوره 30، شماره 4، دی 1402، صفحه 103-123 اصل مقاله (1.3 M) | ||
نوع مقاله: مقاله کامل علمی پژوهشی | ||
شناسه دیجیتال (DOI): 10.22069/jwsc.2023.21689.3679 | ||
نویسندگان | ||
عبدالرضا جمالی1؛ بابک امین نژاد2؛ عبدالرضا ظهیری* 3 | ||
1دانشجوی دکتری مهندسی عمران، واحد رودهن، دانشگاه آزاد اسلامی، رودهن، ایران | ||
2استادیار گروه مهندسی عمران، واحد رودهن، دانشگاه آزاد اسلامی، رودهن، ایران. | ||
3نویسنده مسئول، دانشیار گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران. | ||
چکیده | ||
سابقه و هدف سیل پدیدهای است که در طی آن جریان آب، مقطع اصلی رودخانه را پر نموده و وارد دشتهای سیلابی میشود. در بعضی از رودخانههای طبیعی و نیز کانالهای مصنوعی در شهرها ممکن است بیش از یک دشت سیلاب در طرفین مقطع اصلی وجود داشته باشد که به این مقاطع، کانال مرکب چندسیلابدشتی گفته میشود. در این مقاطع با وقوع سیلاب و پر شدن مقطع اصلی، ابتدا دشت سیلاب اول فعال شده و سپس با سرریز شدن این دشت سیلابی، دشت سیلاب دوم بلافاصله وارد عمل میشود. یکی از جنبههای هیدرولیکی این مقاطع، رابطه دبی-اشل است که به ازاء هر عمق جریان دلخواه، دبی مشخصی را برآورد نموده و ابزار مهمی در طراحی و ساماندهی رودخانهها در زمان سیلاب است. در این مقاله، روشهای یکبعدی تجزیه تبادلی و دوبعدی شیونو و نایت که قبلاً برای محاسبه دبی جریان در مقاطع مرکب پیشنهاد شدهاند، برای مقاطع مرکب چندسیلابدشتی توسعه داده شدند. مواد و روشها در مدل یکبعدی، ابتدا با استفاده از قانون دوم نیوتن و دخالت تنشهای برشی ظاهری در مرز تماس مقطع اصلی و دشت سیلابی اول و نیز دشت سیلابی اول با دوم، یک دستگاه معادله خطی برای برآورد همزمان سرعتهای متوسط جریان در بخشهای مختلف این مقاطع استخراج شد. از معادله هاتوف و همکاران برای دخالت تنشهای برشی ظاهری در مرزهای تماس استفاده شد. ضرایب انتقال مومنتوم در این روش با استفاده از دادههای آزمایشگاهی سینگ (2021) در یک مقطع مرکب مستطیلی و به کمک الگوریتم بهینهسازی گرادیان کاهشی تعمیمیافته، واسنجی شدند. برای استخراج مدل شبه دوبعدی شیونو و نایت، ابتدا با انتگرالگیری در عمق از معادلات ناویر-استوکس، یک معادله دیفرانسیلی بر حسب تنش برشی بدست آمد و سپس با اعمال فرضهای ساده برای تنشهای رینولدزی و نیز جریانهای ثانویه، معادله سادهتری بر حسب سرعت متوسط در عمق ارائه شد. این معادله به کمک روش تفاضلهای محدود حل شد. یافتهها نتایج مدل یکبعدی تبادل دبی نشان داد که این روش با میانگین و حداکثر خطای حدود 6/2 و 7/5 درصد، کارایی مناسبی در تخمین دبی کل جریان دارد. این در حالی است که روش تجزیه قائم مقطع مرکب که هماکنون کاربرد گستردهای در نرمافزارهای مهندسی آب دارد، با میانگین خطای 1/9 درصد و حداکثر خطای 4/17 درصد، نتایج قابل اعتمادی ارائه نمیکند. نتایج حل عددی مدل شبه دوبعدی شیونو و نایت نشان داد که مطابقت خوبی بین پروفیلهای توزیع عرضی سرعت مشاهداتی و محاسباتی برقرار است. همچنین مشخص شد که اثر لزجت گردابهای و نیز جریانهای ثانویه در این کانال قابل توجه بوده و باید درنظر گرفته شوند. میانگین و حداکثر خطای این مدل در تخمین دبی کل جریان بهترتیب 4/2 و 1/4 درصد بدست آمد. نتیجهگیری نتایج هر دو مدل یک و دوبعدی پیشنهادی این تحقیق نشان داد که این مدلها قابلیت مناسبی برای تخمین دبی کل و نیز دبیهای جزئی در مقاطع مرکب چندسیلابدشتی دارند. بررسیها نشان داد که مرز تماس مقطع اصلی با دشت سیلابی اول از نظر شدت تلاطم و نیز قدرت جریانهای ثانویه قویتر از مرز تماس دشت سیلابی اول و دوم میباشد. | ||
کلیدواژهها | ||
سیلاب؛ انتقال مومنتوم؛ اثر متقابل؛ مقاطع مرکب چندپلهای؛ منحنی دبی-اشل | ||
مراجع | ||
1.Vastilla, K. (2015). Flow–plant–sediment interactions: Vegetative resistance modeling and cohesive sediment processes. PhD thesis for School of Engineering, Aalto University.
2.Chen, G., Zhao, S., Huai, W., & Gu. S. (2019). General model for stage–discharge prediction in multi-stage compound channels. J. Hydraulic Research, 57 (4), 517-533.
3.Singh, P. K. (2021). Experimental study on the flow structure of asymmetric compound channels. PhD Dissertation, School of Civil Engineering, University of Liverpool, China.
4.Wang, W., Huai, W., & Gao, M. (2014). Numerical investigation of flow through vegetated multi-stage compound channel. J. Hydrodynamics, Ser. B. 26 (3), 467-473.
5.Singh, P. K., Tang, X., & Rahimi, H. (2023). Large-eddy simulation of compound channels with staged floodplains: flow interactions and turbulent structures. Water, 15, 983, https://doi.org/10.3390/ w15050983.
6.Ackers, P. (1992). Hydraulic design of two-stage channels. J. Water and Maritime Engineering, 96, 247-257.
7.Shiono, K., & Knight, D. W. (1991). Turbulent open-channel flows with variable depth across the channel. J. Fluid Mechanics, 222, 617-646.
8.Bousmar, D., & Zech, Y. (1999). Momentum transfer for practical flow computation in compound channels. J. Hydraulic Engineering, 125 (7), 696-706.
9.Devi, K., Khatua, K. K., & Khuntia, J. R. (2017). Discharge assessment in an asymmetric compound channel by zero shear interface method. ISH J. Hydraulic Engineering, 23 (2), 126-134.
10.Ervine, D. A., Babaeyan-Koopaei, K., & Sellin, R. H. J. (2000). Two-dimensional solution for straight and meandering overbank flows. J. Hydraulic Engineering, 126, 653-669.
11.Fernandes, J. N., Leal, J. B., & Cardoso, A. H. (2015). Assessment of stage–discharge predictors for compound open-channels. Flow Measurement and Instrumentation, 45, 62-67.
12.Huthoff, F., Roos, P. C., Augustijn, D. C. M., & Hulscher, S. J. M. H. (2008). Interacting divided channel method for compound channel flow. J. Hydraulic Engineering, 134 (8), 1158-1165.
13.Kordi, H., Amini, R., Zahiri, A., & Kordi, E. (2015). Improved Shiono and Knight method for overflow modeling. J. Hydrologic Engineering, 20 (12), 04015041.
14.Lambert, M. F., & Myers, R. C. (1998). Estimating the discharge capacity in straight compound channels. Water, Maritime and Energy, 130, 84-94.
15.Lambert, M. F., & Sellin, R. H. J. (1996). Discharge prediction in straight compound channels using the mixing length concept. J. Hydraulic Research, 34 (3), 381-394.
16.Singh, P. K., & Tang, X. (2020). Zonal and overall discharge prediction using momentum exchange in smooth and rough asymmetric compound channel flows. J. Irrigation and Drainage Engineering, 146 (9), DOI: 10.1061/ (ASCE) IR.1943-4774.0001493.
17.Singh, P. K., Tang, X., & Rahimi, H. (2021). Linear-scale models for discharge estimation: Asymmetric compound open channel flows. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Management, DOI:10.1680/jwama.20. 00091.
18.Wark, J. B., James, C. S., & Ackers, P. (1994). Design of straight and meandering compound channels. Interim Guidelines on Hand Calculation Methodology, R & D Report 13, UK.
19.Wormleaton, P. R., & Merrett, D. J. (1990). An improved method of calculation for steady uniform flow in prismatic main channel/floodplain sections. J. Hydraulic Research, 28: 157-174.
20.Van Prooijen, B. C., Battjes, J. A., & Uijttewaal, W. S. J. (2005). Momentum exchange in straight uniform compound channel flow. J. Hydraulic Engineering, 131 (3), 175-183.
21.Ackers, P. (1993). Flow formulae for straight two-stage channels. J. Hydraulic Research, 31 (4), 509-531.
22.Bousmar, D., Wilkin, N., Jacquemart, H., & Zech, Y. (2004). Overbank flow in symmetrically narrowing floodplains. J. Hydraulic Engineering, 130 (4), 305-312.
23.Rodi, W. (1980). Turbulence models and their application in hydraulics-A state-of-the-art. IAHR Publication, DELFT, the Netherlands.
24.Abril, J., & Knight, D. W. (2004). Stage-discharge prediction for rivers in flood applying a depth-averaged model. J. Hydraulic Research, 42, 616-629. | ||
آمار تعداد مشاهده مقاله: 157 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 170 |