بررسی تجربی و عددی تاثیر استفاده از مدل های ترکیبی سکو و شکاف در کاهش آبشستگی موضعی پیرامون پایه های پل

آبشستگی موضعی یکی از مهم ترین پارامترهای کلیدی در ایجاد ناپایداری و گسیختگی در سازه هایی نظیر پل ها، اسکله ها و دیگر سازه های مشابه بشمار می رود. به دلیل پیچیدگی مکانیزم آبشستگی پایه پل ها، این موضوع به عنوان یکی از مهم ترین زمینه های تحقیقی در میان پژوهشگران شناخته شده است که بیشتر این تحقیقات بصورت تجربی و در آزمایشگاه انجام یافته است. کثرت این پژوهش ها اهمیت بسیار زیاد این موضوع را نشان می دهد. نظر به اهمیت پدیده آبشستگی در پایداری پل ها، روش های متعددی جهت کنترل این پدیده معرفی شده است. در سال های اخیر تاثیر توام برخی از ابزار ها مورد بررسی قرار گرفته اند. با توجه به نتایج این تحقیقات، استفاده از یک ابزار کنترل کننده فرسایش بستر در بسیاری از موارد کافی بنظر نمی رسد. از سویی دیگر، ترکیب ابزارهای مختلف نیز همواره نمی-تواند منجربه حصول نتایج بهتری نسبت به استفاده منفرد از این ابزارها گردد. لذا در پژوهش حاضر چهار ابزار سکو، مقطع هندسی پایه، شکاف و شیب جانبی پایه، بصورت منفرد و نیز بصورت ترکیبی با یکدیگر مورد بررسی قرار گرفته اند. در انتخاب این روش ها سعی بر آن بوده است تا تاثیر دو پارامتر ایجاد کننده آبشستگی، (1) جریان رو به پایین و تشکیل گردابه های نعل اسبی، (2) جدایش جریان و تشکیل گردابه های برخاستگی، بر آغاز و گسترش عمق آبشستگی به دو صورت عددی و تجربی تعیین گردد. ترکیبات مورد بررسی نیز بگونه ای انتخاب گردیده اند که هر روش بتواند یکی از عوامل ایجاد کننده فرسایش بستر را حذف نماید. این ترکیبات شامل موارد زیر می باشند: (1) پایه استوانه ای با سکو (ارتفاع-های مختلف برای سکو بررسی گردیده است) (2) مدل پایه پل با مقاطع هندسی مختلف (دایره ای، مستطیلی گرد گوشه، بیضی و عدسی) (3) ترکیب سکو با مقاطع هندسی مستطیل گوشه گرد، بیضی و عدسی (4) ترکیب سکو، مقطع هندسی پایه و شکاف میانی (5) ترکیب سکو، مقطع دایره ای و جفت شکاف کناری در سه موقعیت قرار گیری مختلف (6) سکو، مقطع هندسی دایره ای و شیب جانبی (سه شیب مختلف مورد بررسی قرار گرفته است) (7) ترکیب سکو، مقطع هندسی دایره ای، شیب جانبی و شکاف میانی. در گروه اول با بررسی چهار ارتفاع 5، 6، 7 و 8 سانتیمتر برای سکو، سکوی 6 سانتیمتری با کاهش 46 درصد عمق فرسایش موثرترین روش بوده است. در پایه¬های گروه دوم مدل عدسی شکل با کاهش 60 درصد عمق فرسایش بهتر از سایر مدل¬ها بوده است. در گروه سوم ترکیب مقطع هندسی با سکو، موجب کاهش 64 درصدی آبشستگی در پایه عدسی شکل شده ولی در مقاطع مستطیلی گرد گوشه و بیضی تشدید آبشستگی را به همراه داشته است. در گروه چهارم، ایجاد شکاف در پایه مستطیلی گرد گوشه قابل توجه بوده لیکن در سایر مدل¬ها تاثیری نداشته است. در پایه¬های با شکاف کناری، در مقطع دایره¬ای گرفتگی زود رس شکاف، کارایی آن را از بین برده است اما در مقطع مستطیلی گرد گوشه 43 درصد کاهش آبشستگی مشاهده شده است. در مدل¬سازی عددی با فلوئنت، سه مدل آشفتگیstandard ،rsm و les مورد مطالعه قرار گرفته اند. در این راستا منحنی¬های سرعت، تراز سطح آب، گردابه¬های پیرامون پایه و نیز توزیع تنش¬های برشی مورد مقایسه قرار گرفتند. همچنین تنش¬های برشی بی بعد شده در اطراف مدل پایه¬های مستطیلی گرد گوشه، عدسی و بیضی مورد مقایسه قرار گرفته است. مدل¬سازی¬های انجام گرفته تاثیر مثبت مقطع عرضی عدسی در کاهش میزان تنش¬های برشی بحرانی و نیز کوچک¬تر شدن این نواحی را نشان دادند. میزان درصد کاهش تنش برشی بستر در این مقطع برابر 43 درصد نسبت به پایه دایره¬ای ساده می¬باشد. شکاف نیز نقش حفاظتی موثری در کاهش تنش¬های برشی بستر داشته و در تمامی مقاطع موجب کاهش مقدار آن گردیده است.