شبیه سازی عددی سه‌بعدی جریان در کانال‌های مرکب غیرمنشوری همگرا با تأکید بر تأثیر هندسه و پارامترهای هیدرولیکی

محورهای موضوعی : تحلیل، طراحی و ساخت سازه های آبی

سوران عزتی ¹ , ضیاالدین ایدی ² , سیدحسین مهاجری ³

1 - دانشکده مهندسی عمران و محیط‌زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
2 - دفتر مهندسی رودخانه، شرکت آب منطقه ای البرز، کرج، ایران
3 - دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران.

تاریخ دریافت : 1404/03/26 تاریخ پذیرش : 1404/06/23 تاریخ انتشار : 1404/09/06

کلید واژه: مدل عددی, کانال مرکب, داده‌های آزمایشگاهی, Flow3D , Fluent,

چکیده مقاله :

پیشرفت‌های چشمگیر در فناوری محاسبات عددی، امکان انجام تحلیل‌های عددی جریان در کانال‌های باز را با جزئیات بیشتر در حالت سه بعدی فراهم کرده و امروزه بسیاری از مسائل مرتبط با این کانال‌ها از طریق مدل‌های شبیه‌سازی دو بعدی و سه بعدی به‌صورت مؤثر قابل‌حل هستند. مقاطع هیدرولیکی مرکب، که از ترکیب کانال اصلی و سیلاب‌دشت تشکیل شده‌اند، به دلیل پیچیدگی‌های ناشی از خصوصیات جریان در این گونه کانال‌ها و تعاملات پویای هیدرولیکی بین این دو بخش، نیازمند استفاده از مدل‌های عددی سه‌بعدی برای تحلیل جامع رفتار جریان هستند. در این مطالعه، تمرکز اصلی بر مدل عددی سه‌بعدی Flow3D با شبکه‌بندی کارتزین بوده که برای شبیه‌سازی جریان در کانال‌های مرکب غیرمنشوری با سیلاب‌دشت‌های همگرا به‌کار گرفته شده است؛ همچنین مقایسه‌ای با مدل Fluent با شبکه‌بندی منحنی‌خطی انجام شده است. برای ارزیابی دقت مدل‌ها، مقادیر ضریب تعیین (R²) بین نتایج عددی و داده‌های آزمایشگاهی محاسبه شد که در تمامی حالات برای هر دو مدل بالای 96/0 به‌دست آمد؛ نتایج این مدل‌ها با داده‌های آزمایشگاهی معتبر، حاصل از تحقیقات در دانشگاه کاتولیک لوون بلژیک، مورد اعتبارسنجی قرار گرفته‌اند. نحوه شبکه‌بندی کناره‌های اریب کانال در Flow3D با مش‌بندی کارتزین، دقت بالایی در بازسازی پروفیل سطح آب، توزیع سرعت میانگین‌گیری‌شده در عمق، و میدان سرعت نشان داد، اگرچه تأثیر نوع مش‌بندی بر پروفیل سطح آب و توزیع سرعت میانگین‌گیری‌شده محدود بود، اما در شبیه‌سازی میدان سرعت، به‌ویژه در نواحی مرزی، برتری قابل‌توجهی نسبت به روش منحنی‌خطی داشت. نتایج تحلیل حساسیت نشان داد که زاویه همگرایی بیشترین اثر را بر کاهش سطح آب داشته، در حالی‌که عمق نسبی و دبی، به‌ترتیب نقش کلیدی در انتقال مومنتوم و سرعت جریان ایفا می‌کنند.

چکیده انگلیسی:

Remarkable advances in numerical computing technology have enabled more detailed numerical analysis of open-channel flows in three dimensions, and today, many problems related to these channels can be effectively solved using two- and three-dimensional simulation models. Composite hydraulic sections, formed by the combination of a main channel and floodplains, require the use of three-dimensional numerical models for a comprehensive analysis of flow behavior due to the complexities arising from the flow characteristics in such channels and the dynamic hydraulic interactions between these two parts. This study primarily focuses on the three-dimensional numerical model Flow3D with Cartesian grid, which was employed to simulate flow in non-prismatic compound channels with converging floodplains; a comparison was also made with the Fluent model using a curvilinear grid. To evaluate the accuracy of the models, the coefficient of determination (R²) between the numerical results and experimental data was calculated, which was above 0.96 in all cases for both models; the results of these models were validated against reliable experimental data from research at the Catholic University of Leuven, Belgium. The method of gridding the sloped sidewalls of the channel in Flow3D with Cartesian meshing demonstrated high accuracy in reconstructing the water surface profile, depth-averaged velocity distribution, and velocity field. Although the influence of the mesh type on the water surface profile and depth-averaged velocity distribution was limited, it showed a significant advantage over the curvilinear method in simulating the velocity field, especially in near-boundary regions. Sensitivity analysis results indicated that the convergence angle had the greatest effect on reducing the water level, while relative depth and discharge played key roles in momentum transfer and flow velocity, respectively.

 

منابع و مأخذ:

Awasthi, S., Kumar, V., & Tiwari, H. L. (2024). Impact of flexible vegetation on hydraulic characteristics in compound channels with converging floodplains. Water Supply, 24(8), 2720–2736. https://doi.org/10.2166/ws.2024.172
Bousmar, D. (2002). Flow modeling in compound channels, momentum transfer between main channel and prismatic or non-prismatic floodplains. Thesis presented for the degree of Doctor in Applied Sciences, Université catholique de Louvain.
Bousmar, D., & Zech, Y. (1999). Momentum transfer for practical flow computation in compound channels. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 125(7), 696–706. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1999)125:7(696)
Bousmar, D., Wilkin, N., Jacquemart, J. H., & Zech, Y. (2004). Overbank flow in symmetrically narrowing floodplains. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 130(4), 305–312. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:4(305)
Bousmar, D., Rivière, N., Proust, S., Paquier, A., Morel, R., & Zech, Y. (2005). Upstream discharge distribution in compound-channel flumes. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 131(5), 408–412.
https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2005)131:5(408)

Bousmar, D., Proust, S., & Zech, Y. (2006). Experiments on the flow in a enlarging compound channel. Proceedings of River Flow Conference, Lisbon, Portugal, Vol. 1, pp. 323–332.
Chlebek, J., Bousmar, D., Knight, D. W., & Sterling, M. (2010). A comparison of overbank flow conditions in skewed and converging/diverging channels. In River Flow 2010 – Proceedings of the International Conference on Fluvial Hydraulics, Braunschweig, Germany, Vol. I, pp. 503–511.
Ghoshal, S., James, L. A., Singer, M. B., & Aalto, R. (2010). Channel and floodplain change analysis over a 100-year period: Lower Yuba River, California. Remote Sensing, 2(7), 1797–1825. https://doi.org/10.3390/rs2071797
Hoseini, S. M., Saghi, H., Mirsalehi, M., & Sharifi, M. B. (2007). Theoretical and experimental study of water surface profiles in compound channels. Research Project Report, Ferdowsi University of Mashhad, Ministry of Energy. (In Persian)
Kaushik, N., & Kumar, V. (2024). Prediction of shear stress distribution in compound channel with smooth converging floodplains. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 72(2), 170–184. https://doi.org/10.2478/johh-2024-0004
Kaushik, N., Kumar, V., & Kumar, R. (2024). Numerical simulation of flow characteristics in non-prismatic compound channels. Water Practice & Technology, 19(4), 1349–1362. https://doi.org/10.2166/wpt.2024.153
Mamak, M. (2008). A comparison of conveyance methods for compound channels. Kuwait Journal of Science and Engineering, 35(1A), 19–38.
Mohammadzadeh, P., Javan, M., Eghbalzadeh, A., & Shahin, H. (2014). Numerical study of flow pattern in converging compound channels. 13th Iranian Hydraulic Conference, University of Tabriz. (In Persian)
Mohseni, S., & Naseri, M. (2024). Optimal estimation of secondary flow coefficient in compound channels with vegetated floodplains. Journal of Hydraulics, 18(4), 1–15. https://doi.org/10.24200/jhydraul.2024.13645
Proust, S., Bousmar, D., Rivière, N., Paquier, A., & Zech, Y. (2009). Non-uniform flow in compound channel: A 1-D method for assessing water level and discharge distribution. Water Resources Research, 45(11). https://doi.org/10.1029/2009WR008202
Seckin, G., Mamak, M., Atabaya, S., & Omran, M. (2009). Discharge estimation in compound channels with fixed and mobile bed. Proceedings – Indian Academy of Sciences (Earth and Planetary Sciences), 34(6), 923–945. https://doi.org/10.1007/s12046-009-0056-3
Tang, X., & Knight, D. W. (2006). Sediment transport in river models with overbank flows. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 132(1), 77–86. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2006)132:1(77)