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

آبشستگی موضعی پایه ها یکی از مهم ترین پارامترهای کلیدی در ایجاد ناپایداری و گسیختگی در سازه هایی نظیر پل ها، اسکله ها و مانند آن ها است. 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 انجام یافته است. 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 تاثیر دو پارامتر مهم 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 آبشستگی به دو صورت تجربی و عددی 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 (2) مدل پایه پل با مقاطع هندسی مختلف (دایره ای، مستطیلی گرد گوشه، بیضی و عدسی) (3) ترکیب سکو با مقاطع هندسی مستطیل گرد گوشه، بیضی و عدسی (4) ترکیب سکو، مقطع هندسی پایه و شکاف میانی (5) ترکیب سکو، مقطع دایره ای و مستطیلی گرد گوشه با جفت شکاف کناری در سه موقعیت قرار گیری مختلف (6) سکو، مقطع هندسی دایره ای و شیب جانبی (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 شناخته شد. در پایه-های گروه دوم مدل عدسی شکل با کاهش 60 درصد عمق فرسایش،عملکرد بهتری داشته 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 ازدیاد آبشستگی را به همراه داشته است. در گروه چهارم، ایجاد شکاف در پایه مستطیلی گرد گوشه قابل توجه بوده لیکن در سایر مدل ها تاثیر چندانی نداشته است. در پایه های با شکاف کناری، در مقطع دایره ای گرفتگی زود رس شکاف، کارایی آن را از بین برده، اما در مقطع مستطیلی گرد گوشه 43 درصد کاهش آبشستگی مشاهده شده است. در شبیه 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 مقایسه شده اند. شبیه سازی های انجام گرفته برای زمان های محدود نخستین تاثیر مثبت مقطع عرضی عدسی در کاهش میزان تنش-های برشی بحرانی و نیز کاهش میدان تاثیر آن ها 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.