مقایسه‌ی شبیه‌های مختلف آشفتگی به منظور شبیه‌سازی مناسب جریانهای چگال در مجاورت محل کاهش شیب بستر

فصلنامه علمی مهندسی منابع آب

مقاله 8، دوره 6، شماره 16، فروردین و اردیبهشت 1392، صفحه 79-93   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

نادر برهمند^{* 1}؛ سید رضا موسوی²

¹استادیار گروه مهندسی عمران ‌دانشگاه ‌آزاد ‌اسلامی واحد لارستان، لارستان، ایران

²دانشچوی کارشناسی ارشد سازه های هیدرولیکی، گروه مهندسی عمران دانشگاه ‌آزاد ‌اسلامی، واحد یاسوج ، یاسوج، ایران

تاریخ دریافت: 25 شهریور 1392،  تاریخ پذیرش: 25 شهریور 1392 

چکیده

جریان­های چگال، به دلیل وجود تفاوت جرم حجمی مابین دو سیال، و یا مابین لایه‌های یک سیال، ایجاد می‌گردند. در این تحقیق با استفاده از یک شبیه عددی (نرم‌افزار پویای سیالات محاسباتی FLUENT) اقدام به شبیه‌سازی جریانهای چگال شور عبوری از روی یک بستر حاوی ناپیوستگی شیب گردید. گفتنی است که از نتایج آزمایشگاهی مطالعات گارسیا (1993) به منظور واسنجی و اعتبارسنجی نتایج محاسباتی کمک گرفته شد. معلوم گردید که استفاده از شبیه آشفتگی (از نوع RNG)، و شبکه‌ای با ابعاد بهینه، به خوبی می‌تواند ویژگیهای جریان چگال شور را با توجه به مسأله‌ی شکست شیب شبیه‌سازی نماید. این مطلب در مورد نیمرخهای قائم سرعت و غلظت موضعی (در مقاطع فوق و زیربحرانی پیش و پس از پرش چگال)، ضخامت جریان چگال، رخدادن پرش چگال، مقدار بیشترین سرعت موضعی و ارتفاع متناظر با این سرعت صادق می‌باشد. ضمناً، نتایج عددی جهت شبیه‌سازی ضخامت جریان چگال شور (در ناحیه زیربحرانی پس از پرش، و نیز در ناحیه پرش، بویژه در ناحیه‌ی فوق‌بحرانی پیش از پرش) نشان داد که علاوه بر شبیه آشفتگی  از نوع RNG، شبیه آشفتگی  از نوع معیار نیز سازگاری نسبتاً مناسبی را با نتایج آزمایشگاهی از خود نشان می‌دهد. در این تحقیق، موقعیت بیشترین سرعت در ناحیه‌ی فوق‌بحرانی جریان چگال شور نسبت به ناحیه زیربحرانی به بستر، نزدیکتر بود. همچنین، استفاده از شبیه آشفتگی از نوع RNG منجر به نیمرخهای دقیقتری از سرعتهای موضعی نسبت به نیمرخهای قائم غلظتهای موضعی گردید. علاوه بر این، به علت محدودیت در عمق آب تمیز محیطی، یک جریان برگشتی در نتایج شبیه عددی مشاهده گردید. نهایتا، با افزایش شیب قسمت ابتدایی بستر، علاوه بر انتقال موقعیت پرش چگال به پایین‌دست جریان، مقدار اختلاط سیال محیطی با جریان فوق‌بحرانی پیش از پرش نیز در مقایسه‌ی با سایر قسمتهای جریان چگال افزایش بیشتری می‌یافت.

کلیدواژه‌ها

جریان چگال؛ شکست شیب بستر؛ شبیه‌سازی عددی؛ نیمرخ قائم سرعت؛ نیمرخ قائم غلظت

عنوان مقاله [English]

Numerical simulation of density currents near bed with slope reduction using various turbulent models

نویسندگان [English]

N. Berahmand¹؛ S.R. Mosavi²

چکیده [English]

Gravity or density current is produced due to a density contrast among two different fluids or among two layers of a single fluid. In this research work, the saline gravity current near bed  with slope reduction was simulated numerically, using FLUENT software. The experimental results were used in order to calibrate the numerical model. The obtained results showed that density current was simulated accurately, using turbulent model (RNG type) and optimized grid. This result was found especially for the vertical profiles of local velocity and volumetric concentration (for both sub and supercritical sections), the density height, the maximum value of mean velocity and the corresponding height of this velocity. The numerical results showed that both standard and RNG turbulent model was accurate for calculation of saline gravity current height.  In this paper, using turbulent model (RNG type), better similarity collapses of velocity profiles were obtained in comparison with concentration profiles. Moreover, due to ambient water height limitation, a circulation flow was found in numerical results. Finally, the numerical model indicated that for given initial conditions, as initial bed slope increases, the location of the density jump is moved farther downstream, and also the amount of ambient water entrained along the supercritical regions increases with the increase of the initial bed slope.

کلیدواژه‌ها [English]

density current, bed slope discontinuity, Numerical Simulation, vertical velocity profile, vertical concentration profile

مراجع

1 .صفایی اردکـانی، ا.، ح. افشـین، و ب. فیروزآبـادی. 1386 .

بررسی تجربی ساختار جریان چگال سه بعـدی. ششـمین

کنفـرانس هیـدرولیک ایـران. دانشـگاه شـهرکرد. 13-15

شهریور.

2 .فیروزآبـــادی، ب.، س.م.ر. موســـوی حکمتـــی و س.ع.

حسینی. 1384 .بررسی تجربی رسوبگذاری دو بعدی و سه

بعـدی مغشـوش. پنجمـین کنفـرانس هیـدرولیک ایـران.

دانشگاه شهید باهنر کرمان. 7-19 آبان ماه.

3. Alavian, V. 1986. Behavior of density

currents on an incline. J. Hydraul. Eng.

112: 27–42.

4. Altinakar, M.S., W.H. Graf, and E.J.

Hopfinger. 1996. Flow structure in

turbidity currents. J. Hydraul. Res. 34:

713–718.

5. Aram, E., and B. Firoozabadi. 2007.

Numerical simulation and experimental

investigation of 3-dimensional confined

density currents. Int. J. Dynamics of

Fluids. 3: 45-62.

6. Choi, S.U., and M.H. Garcia. 2002.

k - e turbulence modeling of density

currents developing two dimensionally on

a slope. J. Hydraul. Eng. 128: 55-63.

7. Eidsvik, K.J. and B. Brørs. 1989. Selfaccelerated turbidity current prediction

based upon ( k - e ) turbulence. Cont. Shelf

Res. 9: 617–627.

8. Farrel, G.J., and H. Stefan. 1988.

Mathematical modeling of plunging

reservoir flows. J. Hydraul. Res. 26: 525–

537.

9. Firoozabadi, B., B. Farhanieh, and M. Rad.
10. The Propagation of turbulent density

currents on sloping bed. J. Scientia of

Iranica. 8: 223–235.

10. Firoozabadi, B., B. Farhanieh, and M. Rad.
11. Hydrodynamics of two-dimensional,

laminar turbid density currents. J. Hydraul.

Res. 41: 623-630.

11. Forel, F.A. 1892. The´orie du ravin souslacustre. Le le´man, Vol. 1, F. Rouge,

Lausanne, Switzerland, 381–386.

12. Garcia, M.H. 1993. Hydraulic jumps in

sediment-driven bottom currents. J.

Hydraul. Eng. 119: 1094-1117.

13. Hartel, C., E. Meiburg, and F. Necker.
14. Analysis and direct numerical

simulation of the flow at a gravity-current

head. Part 1. Flow topology and front

speed for slip and no-slip boundaries, J.

Fluid Mech. 418: 189–212

14. Huang, H., J. Imran, and C. Primez. 2005.

Numerical model of turbidity currents with

a deforming bottom boundary. J. Hydraul.

Eng. 131: 283-293.

15. Imran, J., A. Kassem, and S.M. Khan.
16. Three-dimensional modeling of

density current. I. Flow in straight confined

and unconfined channels. J. Hydraul. Res.

42: 578–590.

16. Kostic, S. and G. Parker. 2006. The

response of turbidity currents to a canyonfan transition: internal hydraulic jumps and

depositional signatures. J. Hydraul. Res.

44: 631-653.

17. Lambert, A., and F. Giovanoli. 1988.

Records of riverborne turbidity currents

and indications of slope failures in the

Rhone Delta of Lake Geneva. Limnology

and Oceanography. 33(3).

18. Launder, B., and B. Sharma. 1974.

Application of the energy-dissipation

model of turbulence to the calculation of

flow near a spinning disc. Letters in Heat

Mass Transfer. 1: 131–138.

19. Lee, H.Y., and W.S. Yu. 1997.

Experimental study of reservoir turbidity

current. J. Hydraul. Eng. 123: 520–528.

20. Mehdizadeh, A., and B. Firoozabadi. 2009.

Simulation of a density current turbulent

flow employing different RANS models: A

comparison study. Scientia Iranica,

Transaction B: Mechanical Engineering

16: 53-63.

21. Parker, G., Y. Fukushima, and H.M.

Pantin. 1986. Self-accelerating turbidity

currents. J. Fluid Mech. 171: 145–181.

22. Simpson, J.E. 1987. Gravity currents in the

environment and the laboratory. Ellis

Harwood, Chi Chester, U.K.

23. Skene, K.I., T. Mulder, and J.P.M.

Syvitski. 1997. INFLO1: A model

predicting the behaviour of turbidity

currents generated at river mouths.

Comput. Geosci. 23: 975– 991.

24. Stacey, M.W., and A.J. Bowen. 1988a. The

vertical structure of density and turbidity

currents: theory and observations. J.

Geophys. Res. 93(C3): 3528–3542.

25. Stacey, M.W., and A.J. Bowen. 1988b.

The vertical structure of turbidity currents

and a necessary condition for selfmaintenance. J. Geophys. Res. 93(C3):

3543–3553.

26. Toniolo, H., and G. Parker. 2003. 1D

numerical modeling of reservoir

sedimentation. Proc., IAHR Symposium on

River, Coastal and Estuarine

Morphodynamics. Barcelona, Spain. 457-

468.

27. User’s guide manual of FLUENT software,

version 5.0. 1998. Incorporated, Lebanon,

N.H.