شبیه‌سازی آب‌شستگی و میدان جریان در اطراف دو پایه‌ی کنار یکدیگر با استفاده از مدل عددی SSIIM

نویسندگان
1 عضو هیئت علمی گروه مهندسی آب دانشگاه علم و صنعت ایران
2 کارشناسی ارشد دانشگاه علم و صنعت ایران
چکیده
آب‌شستگی پیرامون پایه‌‌های پلِ در معرض جریان امری اجتناب‌ناپذیر است. برآورد عمق آب‌شستگی و فهم الگوی جریان اطراف پایه می‌تواند کمک زیادی به طراحی ایمن پایه کند. در این مطالعه از مدل عددی SSIIM به عنوان یک مدل دینامیک محاسباتی سیالات (CFD) برای مدل‌سازی همزمان جریان و رسوب در اطراف گروه‌شمع در معرض جریان استفاده شده است. از داده‌ها و نتایج آزمایشگاهی مربوط به دو پایه‌ی کنار یکدیگر به عنوان یک حالت خاص گروه‌شمع برای واسنجی و شناخت بهتر این مدل استفاده شده است. در این مدل معادلات سه‌بعدی ناویر-استوکس برای جریان به همراه مدل‌های آشفتگی k-ε و k-ω حل شده و از خروجی‌های محاسبات جریان برای حل معادلات انتقال رسوب استفاده شده است. با بررسی الگوی آب‌شستگی دو پایه و مقایسه‌ی آن با مقادبر آزمایشگاهی مشخص شد که مدل عددی SSIIM، محاسبات جریان رو به پایین در جلوی پایه‌ها را با دقت قابل قبولی انجام می‌دهد اما اثر گردابه‌های دنباله‌ای در پشت پایه‌ها و اثر تداخل گردابه‌های نعل‌اسبی بین پایه‌ها را بیش از واقعیت در نظر گرفته و مقادیر عمق‌های آب‌شستگی در این نواحی بیش از مقادیر واقعی است. الگوی آب‌شستگی حاصل از به کارگیری مدل آشفتگی k-ε دقت بسیار بهتری نسبت به الگوی آب‌شستگی حاصل از به کارگیری مدل k-ω در پیرامون دو پایه دارد. البته لازم به ذکر است به دلیل پیچیدگی محاسبات جریان و رسوب و ساده‌سازی‌های انجام شده برای مدل‌سازی، نتایج بدون اشکال نیست.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Numerical simulation of scour and flow field around side by side piers using SSIIM

نویسندگان English

Seyed mostafa Siadatmousavi 1
amirreza hamidi 2
چکیده English

Scour around pier in the flow is an Inevitable issue. Estimation of scour depth and understanding the flow field around pier would help us to design with safer factor. The most important factor of scour around pier is changing of streamelines that leads to a system so called local scour. It consist of two vortices: horseshoe vortices and wake vortex. The obstacle creates downflow jet in front of pier that collide with bed sediments and carry them to the downstream, making the horseshoe vortice. The wake vortex is caused by splitting the streamelines and formation of low pressure flow field region and absorption of flow in rear of pier and pick up the bsd sdiments in this district. In this study we used the numerical model SSIIM as a CFD model to simulate flow and scour pattern Simultaneously around a group piers. This model can be used in hydraulic and environment engineering and has the ability of sediment transport calculation in bed transient movement with temporal dependent as the most important advantage in compare with the other CFD models. The verification of this model was implemented by data and results reported for side by side piers examinations as one ofe the group categorize. In this model we considered the k-ε and k-ω seperately as a turbulence model to solve the eddy viscousity of 3D Navier-Stokes flow equations and use their outputs as inputs of sediment transition equations, we used Power-Law scheme as one of the descritization method of First-Order upstreame scheme to solve the flow and sediment equations on the grids. The pressure term of Navier-Stokes equations in cells was calculated by SIMPLE algorithm which is the First-Order upstreame scheme too. Also by changing the G⁄D distant ratio on the other simulation runs, we generated the diagrams with comparative situation with experimental diagrams. Results in the last time of simulation showed there is much more value of horizontal and vertical velocity between the piers than the other sides. It was 57% of final maximum scour depth in first hour of calculation. Similarly to velocity, The final scour patterns showed there is more scour depth counters between the piers. In details it was deriven that the scour depth pattern was symmetric in early time of calculation, but with time passing it appeared more in the region of between the piers. Although Numerical results show the SSIIM model have calculated the erosion depth in front of piers with high accuracy resulted from good calculation of downflow, comparisons between model results and data show the scour depth pattern that the model calculated the wake vortices behind the piers and Interference the horseshoe vortex between the piers with overestimate value and there are deeper countors of scour depth than experiment diagram. Also the RMS index of scour depth has been calculated in the grid and it represented the values of 0.0353 for k-ε model and 0.0899 for k-ω model. Therefore, the k-ε turbulence model resulted better scour depth pattern calculated in compare with k-ω turbulece model.

کلیدواژه‌ها English

SSIIM
scour
simulation
SSIIM numerical model
Side by side piers
مراجع
[1] بهشتی ع.ا.  عطایی آشتیانی ب. 1387."بررسی عددی الگوی جریان و آبشستگی در اطراف گروه شمع"، چهارمین کنگره ملی مهندسی عمران،دانشگاه تهران.
[2] ناجی ابهری م. قدسیان م. واقفی م.. پناه‌پور ن. 1388. "مطالعه آزمایشگاهی و عددی الگوی جریان حول آبشکن در قوس 90 درجه" ، هشتمین کنگره بین‌المللی مهندسی عمران، دانشگاه شیراز.
]3[ نوروزی ح. صالحی نیشابوری س.ع.ا.  نصیری صالح ف. آذردرخش م. 1388. "شبیه‌سازی سه‌بعدی عددی آبشستگی حول آبشکن"، مجله فنی و مهندسی مدرس، شماره 36، ص 13-22.
[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, 152-166.
[5] Ataie-Ashtiani, B. and Beheshti, A.A.(2006) “Experimental Investigation of Clear-Water Local Scour at Pile Groups”; J. Hydraul. Eng. 132(10) 1100-1104.
[6] Breusers, H. N. C., Nicollet, G., and Shen, H. W, (1977) ‘‘Local scour around cylindrical piers.’’ J. Hydraul. Res., 15(3), 211–252.
[7] Brooks, H. N. (1963) discussion of “Boundary shear stresses in curved trapezoidal channels”, by A. T. ‌Ippen and P. A. Drinker, J. Hydr. Eng., ASCE, Vol. 89, No. HY3.
[8] Dargahi, B. (1990) “Controlling mechanism of local scouring”; J. Hydraul. Eng. 116(10) 1197-1214.
[9] Hannah, C. R. (1978). “Scour at pile groups.” Research Rep. No. 28-3, Civil Engineering Dept., Univ. of Canterbury, Christchurch, New Zealand.
[10] Melville, B.W. and Raudkivi, A.J. ( 1977) .“Flow characteristics in local scour at bridge piers”.Journal of Hydraulic ResearchIAHR, 15(1):373-380.
[11] Olsen, N. R. B. (1999) “Computational Fluid Dynamics in Hydraulic and Sedimentation Engineering”, class notes, Division of Hydraulic and Environmental Engineering, The Norwegian University of Science and Technology.
[12] Olsen, N.R.B. (2011), “ A Three-dimensional numerical model for simulation of sediment movement in water intaks with multiblock option” Department of Hydraulic and environmental E ngineering, The Norwegian university of science and technology.
[13] Olsen N, Kjellesvig HM. (1998), ”Three dimensional numerical flow modeling for estimation of maximum local scour depth”. J Hydraul Res ;36(4):579590.
[14] Olsen N, Melaaen C. (1993)” Three-dimensional calculation of scour around cylinders”. J Hydr Eng;119(9):1048–54.
[15] Richardson, E. V., and Davis, S. R. (2001). “Evaluating scour at bridges.” Hydraulic Engineering Circular No. 18 (HEC-18), Rep. No. FHWA NHI 01-001, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
[16] Salaheldin, M., Imran, J. and Chaudhry, M.H. (2004). "Numerical modeling of three-dimensional flow field around circular piers." Journal of Hydraulic Engineering., ASCE, Vol. 130(2):91-100.
[17] Sumer, B. M. and Fredsøe, J. (2002) “The mechanics of scour in the marine environment.” World Scientific Publication Co. Pte. Ltd., Advanced Series on Ocean Engineering, Vol. 17.
[18] Van Rijn, L.C. (1987), “Mathematical modelling of morphological processes in the case of suspended sediment transport”, Doctoral thesis, Hydr. and Geotechn. Engrg. Div., Delft Univ. of Technol., Delft.
[19] Wilcox, D. C. (2000) “Turbulence modelling for CFD”, DCW industries, ISBN. 0-9636051-51.