شبیه سازی عددی الگوی جریان حول گروه پایه پل ها

مطالعات فرسایش بستر رسوب بخش مهمی از طراحی پل ها و شبکه های حمل و نقلی می باشد. چنانکه پایداری و واکنش هیدرودینامیکی پل شدیداً به آبشستگی بستر رودخانه بستگی دارد. ایجاد و گسترش آبشستگی در پایه پل ها از مهمترین عوامل آسیب و خرابی پل ها می باشد. پیش بینی نحوه ایجاد و گسترش وضعیت نهایی گودال آبشستگی از مهمترین موارد طراحی هیدرولیکی پل ها می باشد. استفاده از روابط تجربی ارائه شده بر مبنای تحلیل ابعادی و مطالعات آزمایشگاهی در موارد واقعی نتایج قابل قبولی ارائه نمی کنند. علت این امر در نظر نگرفتن شرایط پیچیده میدانی و همچنین عدم فهم کامل جریان سه بعدی و مکانیزم های حاکم بر آبشستگی است. از طرفی در نظر نگرفتن کلیه شرایط واقعی در مطالعات آزمایشگاهی وقت گیر، هزینه بر و گاهی غیرممکن است. امروز با تکیه بر پیشرفت های چشمگیر در علوم کامپیوتر و توسعه مدل های عددی قوی می توان امید داشت که مسائل پیچیده ای همچون آبشستگی موضعی اطراف پایه ها را با دقت خوبی مدل سازی نمود. امتیازی که مدل های عددی نسبت به مدل های آزمایشگاهی دارند این است که در این مدل ها می توان با کمترین هزینه پیچیده ترین شرایط را در نظر گرفت از طرفی جهت اطمینان از نتایج و بهبود این مدل ها انجام آزمایش های دقیق اندازه گیری جریان و آبشستگی ضروری است. در این تحقیق با استفاده از نرم افزار flow-3d میدان جریان سه بعدی اطراف پایه پل با بستر صاف به صورت عددی و با استفاده از مدل آشفتگی k-? rng مدل سازی و بررسی شده است. مقایسه نتایج عددی با داده های آزمایشگاهی نشان می دهد که این مدل قابلیت پیش بینی الگوی سه بعدی جریان مزبور را دارد. در ادامه به بررسی اثر قطر پایه بر افزایش میزان نوسانات میدان جریان پرداخته شده است. نتایج نشان می دهد با افزایش قطر پایه، اندازه و قدرت گردابه های تشکیل شده، مقدار و محل سرعت ماکزیمم تشکیل شده در اطراف پایه افزایش می یابد. در ادامه برای کاهش نوسانات میدان جریان از پایه های شکاف دار استفاده شده و میدان جریان اطراف پایه های شکاف دار با ابعاد مختلف شکاف شبیه سازی شده است. نتایج نشان می دهد با شکاف دار شدن پایه، اندازه و قدرت گردابه های تشکیل شده در پایین دست پایه و مقدار سرعت ماکزیمم تشکیل شده در اطراف پایه کاهش می یابد. سپس میدان جریان اطراف پایه های دوتایی شبیه سازی شده است که این پایه ها به دو صورت کنار هم در جهت عمود بر جریان و متوالی هم جهت جریان در کانال قرار گرفته اند. نتایج مدل عددی شامل تحلیل الگوی جریان، پروفیل های سرعت در مقاطع مختلف افقی و قائم و مقایسه آنها با نتایج آزمایشگاهی می باشد. نتایج نشان می دهد در پشت هر یک از پایه ها گردابه های مجزا تشکیل می شود. در ادامه به بررسی میدان جریان اطراف پایه پل با هندسه پیچیده (شامل شمع، کلاهک شمع و ستون) پرداخته شده است و با نتایج آزمایشگاهی صحت سنجی شده است. بررسی نتایج مدل عددی در راستای طولی در نقاط مختلف بالادست و پایین دست پایه و کلاهک شمع اطراف پایه انجام خواهد شد. نتایج نشان می دهد تطابق قابل قبولی بین نتایج عددی و آزمایشگاهی وجود دارد. جریان در نزدیکی کلاهک شمع بسیار پیچیده است، چنان که جریان به جهت های مختلف منحرف می شوند.