بررسی عددی تاثیر سازه حفاظتی در آبشستگی ناشی از شکست سد با استفاده از مدل لاگرانژی دو فازی

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

مقاله 7، دوره 15، شماره 53، مرداد 1401، صفحه 85-96   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/wej.2021.16792.1985

نویسندگان

علی پریزاده¹؛ حسن اکبری^{* 2}

¹دانشجوی دوره دکتری سواحل، بنادر و سازه‌های دریایی، دانشکده عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.

²دانشیار سواحل، بنادر و سازه‌های دریایی، دانشکده عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.

تاریخ دریافت: 20 دی 1396،  تاریخ بازنگری: 23 مهر 1397،  تاریخ پذیرش: 10 شهریور 1400 

چکیده

چکیده
مقدمه: جریان های سریع بعد از شکست سد و آبشستگی متناظر با آن از مسائل مهمی است که برای شبیه سازی مناسب آن باید از مدل های چند فازی استفاده کرد. در سالهای اخیر روش جدید لاگرانژی هیدرودینامیک ذرات هموار بعنوان روش بدون شبکه ایده آل برای این کاربرد معرفی شده است.
روش­: در مقاله حاضر با استفاده از این روش عددی و اصلاح آن برای جریانات چندفازی، آبشستگی رسوب کف بعد از شکست سد مدل‌سازی شده است. در ابتدا، نتایج روش عددی حاضر با مطالعات آزمایشگاهی مرتبط مقایسه و صحت سنجی شده و سپس تاثیر شرایط هندسی سازه محافظ در میزان آبشستگی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این راستا، چندین مدلسازی برای شرایط مختلف طول کف صلب و همچنین ارتفاع مانع انتهایی به عنوان پارامترهای اصلی، انجام شد.
یافته ­ها: بر اساس نتایج به دست آمده، مدل مورد استفاده توانمدی مدل سازی شرایط پیچیده آبشستگی ناشی از جریانات متلاطم را دارد و به عنوان نتیجه کاربردی، مشاهده گردید که تاثیر افزایش طول سازه حفاظتی، کم تر از تاثیر افزایش ارتفاع آن است. همچنین ارتفاع بهینه ای برای عملکرد مطلوب سازه حفاظتی وجود دارد بگونه ای که افزایش بیش از حد ارتفاع حتی می تواند منجر به افزایش آبشستگی نسبت به شرایط اولیه گردد.
نتیجه­ گیری: اگرچه استفاده از سازه حفاظتی می تواند علاوه بر جلوگیری از خوردگی پای کف صلب، عمق آبشستگی را نیز کاهش دهد، تعیین ارتفاع بهینه آن اهمیت شایانی در عملکرد مطلوب این نوع سازه ها دارد.

کلیدواژه‌ها

هیدرودینامیک ذرات هموار؛ شکست سد؛ آبشستگی؛ رسوب؛ دوفازه

عنوان مقاله [English]

Numerical Study on the Effect of Protective Structures on Scouring due to Dam Break Using a Two-phase Lagrangian Model

نویسندگان [English]

Ali Parizadeh¹؛ Hasan Akbari²

¹Ph.D. Candidate, Department of Marine Structures, Civil and Environmental Faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.

²Associate Professor, Department of Marine Structures, Civil and Environmental Faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.

چکیده [English]

Abstract
Introduction: Scouring depth due to dam break flows as one of the important engineering problems can be investigated numerically by means of an appropriate multiphase model. Smoothed Particle Hydrodynamic (SPH) model is a Lagrangian Mesh-free based method that has been introduced to solve such complicated flows.
Methods: A Multiphase version of this model is modified in this study to predict scouring depth after dam break flows. At first, the introduced model is validated via comparing the results with experimental data and it is confirmed that the model can well predict turbulent multiphase flows. Then, the performance of a scour protection structure with different length and heights is simulated against dam break flow to find an optimum geometry for this structure.
Findings: Based on the results, it is concluded that the effect of structure height on scour reduction is more sensible than the effect of structure length. In contrast to the structure length, a small edge at the end of the protective structure can efficiently decrease the final scoured depth. However, there exists an optimum height with the best performance. A too high scour protection structure can even result in a higher scouring depth than an unprotected case. Therefore, it is necessary to use a protection structure with an appropriate height and the introduced model can be utilized as a helpful tool to check the required performance of this structure.

کلیدواژه‌ها [English]

Smoothed particle, hydrodynamics, dam break, scouring, sediment, two-phases

مراجع

References

1. Monaghan JJ. 1994. Simulating Free Surface Flows with SPH. J. Comput. Phys. 110 (2): 399–406.
2. Monaghan JJ and RA Gingold. Smoothed particle hydrodynamic: theory and application to non-spherical stars. Mon. Not. R. Astron. Soc. 181: 375–389.
3. Gomez-Gesteira M, Rogers BD, Dalrymple RA, Crespo AJ. 2010. State-of-the-art of classical SPH for free-surface flows. J. Hydraulic Res. 48 (S1): 6–27.
4. Vacondio R, Rogers BD, Stansby PK, Mignosa P. 2012. SPH modeling of shallow flow with open boundaries for practical flood simulation. J. Hydraulic Eng.-Asce. 138 (6): 530–541.
5. Dalrymple RA, Rogers BD. 2006. Numerical modeling of water waves with the SPH method. Coastal Eng. 53 (2–3): 141–147.
6. Bui HH, Sako K, Fukagawa R. 2007. Numerical simulation of soil–water inter- action using smoothed particle hydrodynamics (SPH) method. J. Terramech. 44 (5), 339–346.
7. Hosseini S, Manzari M, Hannani S. 2007. A fully explicit three-step SPH algorithm for simulation of non-Newtonian fluid flow. Int. J. Numer. Meth. Heat Flu. Flo. 17 (7): 715–735.
8. Ran Q, Tong J, Shao S, Fu X, Xu Y. 2015. Incompressible SPH scour model for movable bed dam break flows. Adv. Water Res. 82: 39–50.
9. Shakibaeinia A, Jin YC. 2011. A mesh-free particle model for simulation of mobile-bed dam break. Adv. Water Res. 34 (6): 794–807.
10. Manenti S, Sibilla S, Gallati M, Agate G, Guandalini R. 2012. SPH simulation of sediment flushing induced by a rapid water flow. J. Hydraul. Eng. 138 (3): 272–284.
11. Ulrich C, Leonardi M, Rung T. 2013. Multi-physics SPH simulation of complex marine-engineering hydrodynamic problems. Ocean Eng. 64 (0): 109–121.
12. -Fourtakas G, Rogers BD. 2016. Modelling multi-phase liquid-sediment scour and resuspension induced by rapid flows using Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) accelerated with a Graphics Processing Unit (GPU). Adv. in Water Res. 92: 186–199.
13. Crespo AJC, Dominguez JM, Barreiro A, Gómez-Gesteira M, and Rogers BD. 2015. DualSPHysics: open-source parallel CFD solver based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Comput. Phys. Commun. 187: 204–216.
14. Razavi Tousi SL, Ayubzadeh SA, Walizadeh A. 2014. Two-dimensional simulation of water flow and sediment in dam failure phenomenon using smooth particle hydrodynamic method (SPH). Omran Modares. 2(15):23-35. [In Persian].
15. Shao S, Lo EYM. 2003. Incompressible SPH method for simulating Newtonian and non-Newtonian flows with a free surface resources. Adv. in water. 26:787-800