بررسی عددی تأثیر زاویه تلاقی بر دینامیک جریان در تلاقی کانال‌های همکف و غیرهمکف

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد سازه های آبی گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی دانشگاه ارومیه

2 استادیار دانشگاه ارومیه

چکیده

دینامیک جریان در محل تلاقی رودخانه‌ها با شش ناحیۀ اصلی قابل تشخیص است: ناحیۀ رکود جریان، انحراف جریان، جدایی جریان، حداکثر سرعت، بازیافت جریان و لایه‌های برشی. زاویۀ تلاقی، نسبت دبی بین دو شاخه، اختلاف رقوم و غیره از جمله پارامترهای تاثیرگذار بر ابعاد این نواحی هستند. توجه بیشتر مطالعات قبلی بر تلاقی کانال‌های همکف معطوف بوده است؛ و در زمینۀ تلاقی‌های غیرهمکف مطالعات اندک است. این تحقیق به ارزیابی اثر زاویۀ تلاقی دو کانال بر دینامیک جریان (ناحیۀ جداشدگی، الگوی جریان و تراز آب)، با استفاده از شبیه‌سازی سه‌بعدی Flow-3D در تلاقی‌های همکف و غیرهمکف می‌پردازد. فاکتورهای مهم بررسی شده در این تحقیق، چهار نسبت دبی (نسبت دبی شاخۀ فرعی به دبی کل برابر با 2/0، 33/0، 5/0 و 67/0)، سه زاویه (45، 60 و 90 درجه) و اختلاف رقوم‌های متغیر هستند. پیش‌بینی‌های شبیه‌سازی عددی تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد. نتایج تحقیق حاضر نشان می‌دهد که بین دینامیک جریان در تلاقی‌های همکف و غیرهمکف تفاوت زیاد است و زاویۀ اتصال نقشی مهم در تلاقی‌ رودخانه‌ها، به‌ویژه در تلاقی‌های همکف بازی می‌کند. با افزایش زاویه، ابعاد ناحیۀ جداشدگی جریان افزایش می‌یابد به‌طوری‌که طول ناحیۀ جداشدگی در زاویۀ 90 درجه 3/2 برابر طول ناحیۀ جداشدگی در زاویۀ 45 درجه برای تلاقی‌های همکف است. این مقدار در تلاقی‌های غیرهمکف با اختلاف رقوم‌های نسبی برابر با 1/0، 2/0 و 3/0 به‌ترتیب برابر با 5/4، 3 و 1/2 است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical iInvestigation of the Effect of Junction Angle on Flow Dynamic at the Canal Junction of Concordance and Discordance Bed Level

نویسنده [English]

  • Tohid Aghazade 1
چکیده [English]

Flow dynamics at river confluences can be characterized by six major regions of flow stagnation, flow deflection, flow separation, maximum velocity, flow recovery and distinct shear layers. The junction angle, discharge ratio channels and bed elevation differences are the parameters that affect the magnitude of these regions. Most of previous studies have paid attention to the concordance canal confluences, but few studies have been conducted on the bed discordance confluences. This study investigates the effect of junction angles on flow dynamics (separation zone, flow patternsand water level) in concordance and discordance bed levels of confluences by using a 3-D numerical model (Flow-3D). Important factors that are considered in this study are the four discharge ratios (ratio of tributary channel discharge to total discharge equal to 0.2, 0.33, 0.5 and 0.67), three angles (45, 60 and 90 degree) and variable river bed levels. The numerical simulation results showed good agreement with the experimental results. The results indicated that there are a lot of differences between dynamic of confluences with concordance and discordance bed levels and the junction angle plays an important role at the river confluences, especially in bed concordance junctions. Also as the angle increases, the flow separation zone dimensions increases; in such a way the separation zone length at 90 degree angle was  2.3 times of 45 degree in concordance bed level. Finally the value in case of relative bed discordance levels of 0.1, 0.2 and 0.33 were found to be 4.5, 3 and 2.1, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flow pattern
  • unequal deb junctions
  • flow separation
  • junction angle
  • Numerical Simulation

Best, J. L. 1988. Sediment transport and bed morphology at river channel confluences. Sedimentology. 35(3): 481-498.

 

Best, J. L. and Reid, I. 1984. Separation zone at open – channel junctions. J. Hydraul. Eng-ASCE.
100(11): 1588-1594.

 

Best, J. L. and Roy, A. G. 1991. Mixing- layer distortion at the confluence of channels of differentdepth. Nature. 350, 411-413.

 

Biron, P. M., Roy, A. G., Best, J. L. and Boyer, C. J. 1993. Bed morphology and sedimentology at the confluence of unequal depth channels.  Geomorphology. 8(2-3): 115-129.

 

Biron, P. M., Roy, A. G. and Best, J. L. 1996a. Turbulent flow structure at concordant and discordant
open-channel confluences.
Exp. Fluids. 21(6): 437-446.

 

Biron, P. M., Best, J. and Roy, A. G. 1996b. Effect of bed discordance on flow dynamics at open channel confluences. J. Hydraul. Eng-ASCE. 122(12): 676-682.

 

Biron, P. M., Richer, A., Kirkbride, D. A., Roy, G. A. and Han, S. 2002. Spatial patterns of topography at a river confluence. Earth Sur. Proc. Land. 28(9): 913-928.

 

Borghaee, S. M., Sakhaeefar, S. M. and Daemi, A. 2003. Experimental investigation of canal junctions. Proceedings of the 6th International River EngineeringConference. Jan. 28-30. University of Shahid Chamran Ahvaz. Ahvaz, Iran. (in Persian).

 

Borghaee, S. M. and Nazari, A. 2003. Experimental investigation of sediment pattern at canal junctions. Proceedings of the 6th International ConferenceonCivil Engineering. May 5-7. Isfahan University of Technology. Isfahan, Iran. (in Persian)

 

Boyer, C., Roy, A. G. and Best, J. L. 2006. Dynamics of a river channel confluence with discordant beds: flow turbulence, bed load sediment transport, and bed morphology. Geophys. Res-Earth Surf.
111(4): 1-22.

 

Bryan, R B. and Kuhn, N. J. 2002. Hydraulic conditions in experimental rill confluences and scour in erodible soils. Water Resour. Res. 38(5): 21-1-21-13.

 

Christodoulou, G. C. 1993. Incipient hydarulic jump of channel junction. J. Hydraul. Eng-ASCE.
119(3): 409-421.

 

Đorđević, D. 2012. Application of 3D numerical models in confluence hydrodynamics modelling. Proceedings of the 19th International Conference on Computational Methods in Water Resources, (CMWR). University of Illinois at Urbana-Champaign.

 

Ghobadian, R., Shafai-Bajestan, M. and Mousavi-Jahromi, H. 2006. Experimental investigation of flow separation zone in river confluence in subcritical flow conditions. Iran Water Resour. Res. 2(2): 67-77. (in Persian)

 

Ghobadian, R. 2008. The study effect of tailwater level changes on secondarycurrents at rectangular channels confluence with a three-dimensional models. Proceedings of the 4th National Congress of Civil Engineering. Tehran University. Tehran, Iran. (in Persian)

 

Guillén-Ludeña, S., Franca, M. J., Cardoso, A. H. and Schleiss, A. J. 2016. Evolution of the hydromorphodynamics of mountain river confluences for varying discharge ratios and junction angles. Geomorphology. 255, 1-15.

 

Gurram, S. K., Karki, K. S. and Hager, W. H. 1997. Subcritical junction folw. J. Hydraul. Eng-ASCE. 123(5): 447-455.

 

Habibi, S., Rostami, M. and Mousavi, S. A. 2014. Numerical simulation of flow and sediment structure in confluence of rivers. Iran-Watershed Manage. Sci.  Eng. 8(24): 19-29.

 

Hemmati, M. 2008. Investigation of the effect of bed discordance on scouring at river confluence. M.Sc. Thesis. University of Shahid Chamran. Ahvaz, Iran. (in Persian)

 

Hemmati, M. and Shafai-Bejestan, M. 2009. Comparing the sediment pattern in river confluence of equal and unequal bed levels. Proceedings of the 6th International CongressonCivil Engineering. May 11-13. University of Shiraz. Shiraz, Iran. (in Persian)

 

Khosravinia, P., Hosseinzadeh-Dalir, A., Shafai-Bajestan, M. and Farsadizadeh, D. 2014. Experimental and numerical investigations of the effect of main channel side slope on flow pattern in right angle confluence of channels. Knowl. Soil Water J. 25(3): 105-119. (in Persian)

 

Lane, S. N., Bradbrook, K. F., Richards, K. S, Biron, P. M. and Roy, A. G. 2000. Secondary circulation cells in river channel confluences: measurement artefacts or coherent flow structures. Hydrol. Process. 14(11-12): 2047-2071.

 

Mousavi-Jahromi H. and Godarzizadeh, R. 2011. Numerical simulation of 3D flow pattern at open-channel junctions. J. Irrig. Sci. Eng. 34(2): 61-70. (in Persian)

 

Nazari-Giglou, A., Jabbari- Sahebari, A., Shakibaeinia, A. and Borghei, S. M. 2016. An experimental study of sediment transport in channel confluences. Int. J. Sediment Res. 31(1): 87-96.

 

Riley, D. J. and Rhoads, B. L. 2011. Flow Structure and channel morphology ata natural confluent meander bends. Geomorphology. 129(3): 1-15.

 

Rhoads, B. L. and Sukhodolov, A. N. 2004. Spatial and temporal structure of shear layer turbulence at a stream confluence. Water Resour. Res. 40(6): 1-13.

 

Roy, A.G., Roy. R. and Bergeron, N. 1988. Hydraulic geometry and changes in flow velocity at a river confluence with coarse bed material. Earth Surf. Proc. Land. 13(7): 583-598.

 

Shafai-Bejestan, M. and Hemmati, M. 2008. Scour depth at river confluence of unequal bed level. J. Appl. Sci. 8(9): 1766-1770

 

Wang, X. G. and Yan, Z. M. 2007. Three-dimensional simulation for effects of bed discordance on flow dynamics at y-shaped open channel confluences. J. Hydraodyn. 19(5): 587-593.

 

Weber, L. J., Shumate, E. D. and Mawer, N. 2001. Experiments on flow at a 90° open-channel junction. J. Hydraul. Eng-ASCE. 127(5): 340-350.