کاربرد روش عددی و مدل شبه دوبعدی SKM در برآورد تنش برشی اطراف پایه استوانه ای همراه با صفحات مستغرق

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

مقاله 10، دوره 11، شماره 39، اسفند 1397، صفحه 137-148   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

ساجده حاجی عزیزی^{* 1}؛ داوود فرسادی زاده²؛ هادی ارونقی³؛ اکرم عباسپور³

¹دانشجوی دکتری سازه های آبی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

²استاد گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

³دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

تاریخ دریافت: 08 مهر 1394،  تاریخ بازنگری: 20 دی 1395،  تاریخ پذیرش: 08 اسفند 1397 

چکیده

بررسی توزیع تنش برشی به جهت برآورد ابعاد حفره آبشستگی در اطراف پایه های پل از اهمیت زیادی برخوردار است. ولی مروری بر پژوهش های انجام شده نشان می دهد که بررسی تنش برشی، اطراف پایه های حفاظت شده توسط روش های مختلف کنترل آبشستگی، از توجه کافی پژوهشگران برخوردار نبوده است. در این پژوهش یک مدل عددی سه بعدی برای مطالعه روند تغییرات تنش برشی پیرامون پایه پل همراه با صفحات مستغرق مورد استفاده قرار گرفته است. از طرفی به دلیل دشوار بودن محاسبه مقادیر تنش برشی در طبیعت، پژوهشگران روش هایی برای محاسبه غیرمستقیم این عامل ارائه نموده اند که یکی از این روش ها، استفاده از مدل شبه دوبعدی شینو و نایت (SKM) می باشد. در این پژوهش الگوی توزیع تنش برشی اطراف پایه با وجود تعداد مختلفی از صفحات (6 و 4، 2)، با دو زاویه قرارگیری نسبت به جریان (20و 30 درجه) و در شدت جریان 95/0 (شدت جریان بحرانی)، با هر دو روش مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. نتایج هر دو مدل نشان می دهد که قرارگیری صفحات تاثیر به سزایی در کاهش سرعت جریان حین عبور از صفحات داشته و در نتیجه کاهش تنش برشی بستر در اطراف پایه را به دنبال دارد. همچنین بررسی تعداد و زاویه قرارگیری صفحات، نشان داد که تعداد 6 صفحه نسبت به 2 و 4 صفحه و همچنین زاویه 30 درجه نسبت به زاویه 20 درجه کارایی بهتری دارد به نحوی که تنش برشی را به میزان 12-15 درصد کاهش می دهد.

کلیدواژه‌ها

پایه پل؛ تنش برشی؛ صفحات مستغرق؛ مدل شبه دوبعدی شینو و نایت (SKM)؛ مدل عددی سه‌بعدی

عنوان مقاله [English]

The Application of Numerical Method and SKM Quasi-Two-Dimensional Model to Estimate the Shear Stress around a Cylindrical Pier with Submerged Vanes

نویسندگان [English]

s a¹؛ d f²؛ h a³؛ a a³

¹دانشجوی دکتری سازه های آبی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

²استاد گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

³دانشیار گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده [English]

Investigation of the shear stress to estimate the scour hole around bridge piers is of utmost importance, but a review of the literature shows that the study of this factor, around protected piers by various methods of scour control has not been studied by the researchers. In this research, a three dimensional numerical model has been used to study the variation shear stress on the bridge pier with submerged vanes. However, due to difficulty of calculating the amount of shear stress in the wild, researchers provided indirect ways to calculate these parameters that one of these methods, is the use of quasi-two-dimensional model Shino and Knight (SKM In this study, the pattern of shear stress distribution around the base with a different number of vanes (2, 4 & 6), with the two angle of the flow (20 and 30 degree) and in flow intensity 0.95 (critical flow intensity), with both methods were studied and compared. Both model results show that vanes placement has a great effect on reducing velocity of the passing flow and thus decreasing the bed shear stress around the pier. Also analysis of the counts and placement angles showed that 6 vanes rather to 2 and 4 vanes and also angle of 30 degree rather to angle of 20 degree performs better in action, so that the shear stress reduces the amount of 12-15 percent.

کلیدواژه‌ها [English]

Bed shear stress, Bridge pier, submerged vanes, Shino and Knight quasi-two-dimensional model, 3D Numerical model

مراجع

منابع

1)        ارونقی، ه. 2010. بررسی کاهش آبشستگی اطراف پایه پل با طوق مستطیلی به­روش تجربی و با استفاده از شبیه­سازی الگوی جریان در اطراف آن با مدل­های آشفتگی. پایان نامه دکتری تخصصی سازه­های آبی. دانشکده کشاورزی. دانشگاه تبریز.

2)        بشارتی­گیوی، م.، و حکیم­زاده، ح. 2010. بررسی عددی سه­بعدی الگوی جریان و تنش برشی بستر اطراف پایه­های مخروطی. نشریه مهندسی دریا. 6 (11): 63-70.

3)        بهداد، ع.، فغفور مغربی، م.، و گیوه­چی، م. 2011. تعیین توزیع سرعت متوسط عمقی و تنش برشی در کانال­ روباز مثلثی. پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران. دانشگاه فردوسی مشهد.78-67.

4)        حسن زاده، ی.، حکیم زاده، ح.، و عیاری، ش. 2012. بررسی اثر اشکال مختلف پایه پل بر الگوی جریان اطراف آن با استفاده از نرم افزار Fluent. تحقیقات منابع آب ایران. 7 (4):105-95.

5)        شجاعی، پ.2010. تاثیر توام صفحات مستغرق و طوق در کاهش آبشستگی پایه استوانه­ای پل­ها. پایان نامه کارشناسی ارشد سازه­های آبی. دانشکده کشاورزی. دانشگاه تبریز.

6)        Abril, J.B., and Knight, D.W. 2004. Stage-discharge prediction for rives in flood applying a depth-averaged model, J. Hydr. Res., 42 (6): 616-629.

7)        Aghaee, Y., and Hakimzadeh, H. 2010. Three dimensional numerical modeling of flow around bridge piers using LES and RANS. Proceedings of the International Conference on Fluvial Hydraulics. River Flow. Braunschweig, Germany. 9p.

8)       Babaeyan-Koopaei, K., Ervine, D.A., and Pender, G. 2002. Field measurements and flow modeling of overbank flows in River Severn. U.K. J. Environ. Inf., 1 (1): 28-36.

9)       Guo, J., and Julien, P.Y. 2005. Shear stress in smooth rectangular open channel flow. J. Hydr. Eng. ASCE, 131 (1): 30-37.

10)   Kean, J.W., Kuhnle, R.A., Smith, J.D., Alonso, C.V., and Langendoen, E.J. 2009. Test of a method to calculate near-bank velocity and boundary shear stress. J. Hydr. Eng. ASCE, 135 (7): 588-601.

11)   Khodashenas, S.R., and Paquier, A. 1999. A geometrical method for computing the distribution of boundary shear stress across irregular straight open channel. J. Hydr. Res., 37 (3): 381-388.

12)   Knight, D.W., Demetriou, J.D., and Hamed, M.E. 1984. Boundary shear in smooth rectangular channels. Agric. Water Manage, 11 (4): 405-422.

13)   Knight, D.W., Shiono, K., and Pirt, J. 1989. Prediction of depth mean velocity and discharge in natural rivers with overbank flow. International Conference on Hydraulics and Environmental Modeling of Coastal, Estuarine and River Waters, England.  pp. 419-428.

14)   Mohamad, H. 2013. Numerical simulation of flow and local scour at two submerged-emergent tandem cylindrical piers.  Journal of Engineering Sciences, Assiut University, 41 (1): 273-289.

 

15)   Shiono, K., and Knight, D.W. 1988. Two dimensional analytical solution for a compound channel. 3rd International Symposium on Refined Flow Modeling and Turbulence Measurements. Japan. pp. 503-510.

16)   Shiono, K., and Knight, D.W. 1991. Turbulent open channel flows with variable depth across the channel. J. Fluid Mech. 222: 617-646.

17)   Yang, S.Q., and Lim, S.Y. 2002. A geometrical method for computing the distribution of boundary shear stress across irregular straight open channels. J. Hydr. Res. 40 (3): 535-542.

18)   Yen, C.L., Lai, J.S., and Chang, W.Y. 2001. Modeling 3D flow and scouring around circular piers. Proc. Nati. Sci. Counc. ROC (A), 25 (1): 17-26