شبیه سازی عددی جریان غیردائم دوفازی اطراف دو استوانه دایره‌ای کنارهم و انتخاب مدل ‏آشفتگی بر اساس فرکانس تشکیل گردابه

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

دوره 15، شماره 55، بهمن 1401، صفحه 1-18   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/wej.2023.23442.2215

نویسندگان

ابوالفضل اصلانی کردکندی^{* 1}؛ میثم بیاتی²؛ فریدون وفایی³؛ عارف فرهنگ مهر⁴

¹گروه فنی و مهندسی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران.

²کارشناس ارشد سازه های دریایی، گروه مهندسی عمران، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران .

³دانشیار سازه های دریایی، گروه مهندسی عمران، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران.

⁴کارشناس ارشد سازه های دریایی، گروه مهندسی عمران، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران.

تاریخ دریافت: 13 آذر 1398،  تاریخ بازنگری: 16 مرداد 1400،  تاریخ پذیرش: 30 بهمن 1401 

چکیده

چکیده
مقدمه:  امروزه‎ ‎آبشستگی‎ ‎یکی‎ ‎از‎ ‎مسائل‎ ‎مهم‎ ‎در‎ ‎مهندسی‎ ‎رودخانه‎ ‎و‎ ‎همچنین‎ ‎مهندسی‎ ‎سواحل‎ ‎می­باشد.‏‎ ‎آبشستگی ‏نوعی‎ ‎فرسایش‎ ‎است‎ ‎که‎ ‎در‎ ‎اثر‎ ‎جریان‎ ‎آب‎ ‎در‎ ‎اطراف‎ ‎پایه‌­ها‎ ‎به‎ ‎وجود‎ ‎می‌آید. بر‏‎ ‎اساس‎ ‎نتایج‎ ‎تحقیقات‎ ‎انجام‎ ‎شده،‎ ‎تخریب اکثر‎ ‎پل­‌هایی‎ ‎که‎ ‎در‎ ‎رودخانه‌­ها‎ ‎بنا‎ ‎شده­‌اند‌ به علت‎ ‎آبشستگی‎ ‎بوده است.  برای تعیین عمق آبشستگی در مجاورت پایه نیاز به ‏شناخت کافی این پدیده و الگوی جریان اطراف آن بوده تا ‏با توجه به آن، روش مناسب برای تخمین عمق آبشستگی، ‏مشخص گردد.‏
روش­:  در پژوهش حاضر به موضوع الگو و رفتار جریان اطراف دو استوانه کنار‎ ‎هم با فواصل مختلف در قالب یک مطالعه عددی ‏پرداخته شده است. محاسبات عددی بر روی مش‌های مربعی که در نزدیکی استوانه‌ها به منظور تأمین لایه مرزی ریزتر و به ‏تدریج در فواصل دورتر درشت‌تر شده‌اند انجام شده است. در این مدلسازی دو فازی آب و هوا برای لحاظ نمودن اثر سطح آزاد، ‏از روش حجم سیال (‏VOF‏) استفاده شده است. در این مدلسازی بر اساس فرکانس تشکیل گردابه و عدد استروهال مدل ‏آشفتگی و اندازه مش بندی مناسب انتخاب شده است. پس از انتخاب مدل آشفتگی مناسب (‏‎ ‎مدل ‏RNG k-ε‏) به بررسی ‏مقادیر سرعت، مقادیر آشفتگی و تنش‌برشی بستر و مقایسه­ی آن با نتایج آزمایشگاهی پرداخته شد. ‏
یافته­ ها:  مقایسه نتایج نشان می­دهد که مطابقت خوبی بین نتایج عددی و آزمایشگاهی وجود دارد. نتایج نشان می‌دهد که با کم شدن ‏فاصله بین استوانه‌ها مقادیر سرعت در مرکز استوانه افزایش پیدا کرده که بیشترین مقدار سرعت در ‏G/D‏ (نسبت فاصله لبه­‏های داخلی دو پایه به قطر پایه) برابر 5/1 اتفاق افتاده است در حالی‌که برای فواصل 5/1> ‏G/D‏ مقدار سرعت به دلیل حبس ‏شدگی جریان کاهش پیدا کرده است. در حالت دو استوانه کنار هم مقادیر آشفتگی در ارتفاع میانی بیشتر از مقادیر نزدیک ‏بستر است که نشان دهنده تأثیر بیشتر گردابه‌ها بر مقادیر آشفتگی می‌باشد. درحالی‌که در حالت تک استوانه مقادیر آشفتگی ‏نزدیک بستر بیشتر از مقادیر آشفتگی در ارتفاع میانی می‌باشد. که می‌تواند نشان دهنده تأثیر بیشتر بستر بر مقادیر آشفتگی ‏باشد. ‏
نتیجه ­گیری:  به لحاظ کمی و کیفی نتایج شبیه سازی عددی تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی نشان می­دهد.‏‎ ‎در حالت دو استوانه کنار هم ‏مقادیر آشفتگی در ارتفاع میانی بیشتر از مقادیر نزدیک بستر است  (بیشتر در قسمت کناره­ها و پایین دست پایه­ها)که نشان ‏دهنده تأثیر بیشتر گردابه‎­‎ها بر مقادیر آشفتگی می­باشد.‏

کلیدواژه‌ها

آشفتگی؛ استوانه کنار هم؛ الگوی جریان؛ حجم سیال؛ گردابه

عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of Two-Phase Transient Flow Around Two Side-By-Side Circular Cylinders and Select Appropriate Turbulence Model Based on Vortex Shedding Frequency

نویسندگان [English]

Abolfazl Aslani Kordkandi¹؛ Meysam Bayati²؛ Freydon Vafai³؛ Aref Farhangmehr⁴

¹Department of Engineering, Payame Noor University (PNU), P.O. Box 19395‑4697, Tehran, Iran.

²Former M.Sc. Student of Marine Structures, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, ‎Iran.

³Associate Prof. of Marine Structures, Department of Civil Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.

⁴Former M.Sc. Student of Marine Structures, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, ‎Iran.

چکیده [English]

Abstract
Introduction: Nowadays, scouring is one of the important issues in river engineering as well as coastal ‎engineering. Based on the results of the investigations, the destruction of most of the bridges ‎built in the rivers is due to scouring around piers. For this reason, it has been the subject of ‎many researches conducted in recent years‏.‏ ‎ Investigation of the flow pattern around the piers ‎gives a more accurate understanding and vision for scouring prediction.‎
Methods: The flow pattern around two side-by-side circular cylinder with various gaps are investigated numerically in current study. The numerical calculations are carried out on quadrilateral mesh which is finer close to the cylinders vicinity in order to provide better description of boundary layer and gradually become coarser further places. In term of simulation of the free surface effect, the volume of fluid (VOF) method used. In this simulation based on the frequency of vortex shedding and Strouhal number. After selecting appropriate turbulence model (RNG k - ε) the value of velocity, turbulence and bed shear stress reported.
Findings: The results show that by reducing the gap between two cylinders, the velocity in middle of cylinders increases and the maximum velocity observed in G/D=1.5 while for smaller gaps (G/D<1.5) the velocity decreases due to blockage. In case of two side-by-side cylinders turbulence intensity in the middle of channel is higher than in bed which represent the significant impact of vortices. However, in case of single cylinder turbulence intensity in the bed of channel is higher than those of in middle which represent the significant impact of bed on turbulence intensity.

کلیدواژه‌ها [English]

Numerical Simulation of two, phase transient flow around two side, by, side circular cylinders

مراجع

1.       Aslani-Kordkandi A. 2009. Experimental Investigation of Flow Pattern around Pile Groups (two piles). Master's thesis, Sharif University of Technology, Iran.

2.       Safaripour N, vaghefi M, mahmoudi A. 2018. Investigation of the effect of counter clockwise ‎submerged vanes on reduced scour around single bridge pier in the sharp bend. Journal ‎of Irrigation and Water Engineering. 8(2): 19-28. ‎

3.       Ghodsi H, Khanjani MJ. 2018. Experimental Investigation of Local Scour around Complex ‎Bridge Pier. Journal of Irrigation and Water Engineering. 8(3): 35-47. ‎

4.       ‎Ataie-Ashtiani B, Aslani-Kordkandi A. 2012. Flow field ‎around side-by-side piers with and without a scour hole. ‎European Journal of Mechanics-B/Fluids. 36: 152-166.‎

5.       ‎Ataie-Ashtiani B, Aslani-Kordkandi A. 2013. Flow field ‎around single and tandem piers. Flow, Turbulence and ‎Combustion. 90(3): 471-490.‎

6.       ‎Ahmed F, Rajaratnam N. 1998. Flow around bridge ‎piers. Journal of Hydraulic Engineering. 124(3): 288-‎‎300.‎

7.       ‎Ahmed F, Rajaratnam N. 2000. Observations on flow ‎around bridge abutment. Journal of Engineering ‎Mechanics. 126(1): 51-59. ‎

8.       ‎Akilli H, Akar A, Karakus C. 2004. Flow characteristics ‎of circular cylinders arranged side-by-side in shallow ‎water. Flow Measurement and Instrumentation. 15(4): ‎‎187-197‎

9.       ‎Barbhuiya A. K, Dey S. 2004. Measurement of ‎turbulent flow field at a vertical semicircular cylinder ‎attached to the sidewall of a rectangular channel. Flow ‎Measurement and Instrumentation. 15(2): 87-96.‎

10.    ‎Behrouzi, Z., Hamidifar, H., Zomorodian, M. 2021. ‎Numerical simulation of flow velocity around single and ‎twin bridge piers with different arrangements using the ‎Fluent model. Amirkabir Journal of Civil Engineering, ‎‎53(9)‎‏:‏‎ 1-15. ‎

11.    ‎Chang, C.K., Lu, J.Y., Lu, S. Y., Wang, Z. X., Shih, D. S. ‎‎2020. Experimental and Numerical Investigations of‏ ‏Turbulent Open Channel Flow over a Rough Scour Hole ‎Downstream of a Groundsill. Water, 12, 1488‎‏.‏‎ ‎

12.    ‎Dargahi B. 1989. The turbulent flow field around a ‎circular cylinder. Experiments in Fluids. 8(1-2): 1-12.‎

13.    ‎Hamidi,‎‏ ‏A., Siadatmousavi S. M. 2018. Numerical ‎simulation of scour and flow field for different ‎arrangements of two piers using SSIIM model. Ain Shams ‎Engineering Journal 9‎‏:‏‎ 2415‎‏-‏‎2426‎‏.‏

14.    ‎Hannah C. R. 1978. Scour at pile groups. Research ‎Report, University of Canterbury, New Zealand.‎

15.    ‎Melville B. W, Raudkivi A. J. 1977. Flow ‎characteristics in local scour at bridge piers. Journal of ‎Hydraulic Research. 15(4): 373-380.‎

16.    ‎Millero F. J., Feistel R, Wright D. J.,‎‏ ‏McDougall T. J. ‎‎2008. The composition of Standard Seawater and the ‎definition of the Reference-Composition Salinity Scale. ‎Deep Sea Research. 55(1): 50-72.‎

17.    ‎Sarker M. A. 1998. Flow measurement around scoured bridge piers using Acoustic-Doppler Velocimeter (ADV). Flow Measurement and Instrumentation. 9(4): 217-227.

18.    ‎Sumer B. M, Fredsøe J. 2002. The mechanics of scour ‎in the marine environment. World Scientific Publishing ‎Co Pte Ltd.‎

19.    ‎Tarek M, Imran J, Chaudhry H. 2004. Numerical ‎modeling of threedimensional‏ ‏flow field around circular ‎piers. Journal of Hydraulic Engineering. 130(2): 91-100.‎

20.    ‎Zdravkovich M. M. 1987. The effects of interference ‎between circular cylinders in cross flow. Journal of ‎Fluids and Structures. 1: 239-261.‎