شبیه سازی سه بعدی تنش برشی در کانال مرکب مستطیلی با استفاده از مدل عددی Ansys Fluent

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه رازی-پردیس کشاورزی و منابع طبیعی-دانشکده علوم و مهندسی کشاورزی-گروه مهندسی آب

2 پردیس کشاورزی و منابع طبیعی- دانشکده علوم و مهندسی کشاورزی-گروه مهندسی آب

چکیده

پیش‌بینی تنش ﺑﺮﺷﻲ در ﻛﺎﻧﺎلﻫﺎی روﺑﺎز در ﺑﺴﻴﺎری از ﻣﺴﺎﺋﻞ ﻣﻬﻨﺪﺳﻲ مانند ﻃﺮاﺣﻲ ﻛﺎﻧﺎلﻫﺎی ﭘﺎﻳﺪار، محاسبۀ اﻓﺖ اﻧﺮژی و رﺳﻮب‌گذاری در ﻛﺎﻧﺎلﻫﺎ بااﻫﻤﻴﺖ است. در مواقع سیلابی، به­دﻟﻴﻞ ﺗﻔﺎوت ﻋﻤﻖ ﺟﺮﻳﺎن ﺑﻴﻦ ﻛﺎﻧﺎل اﺻﻠﻲ و  دﺷﺖﻫﺎی ﺳﻴﻼﺑﻲ اﻃﺮاف، ﺳﺮﻋﺖ ﺟﺮﻳﺎن ﻧﻴﺰ ﻣﺘﻔﺎوت است و ﻣﺘﻌﺎﻗﺒﺎً ﻣﻴﺰان ﺗﻨﺶ ﺑﺮﺷﻲ و ﺗﻮزﻳﻊ آن به شکلی چشمگیر ﺗﻐﻴﻴﺮ ﻣﻲکند. در تحقیق حاضر، کارایی مدل عددی سه­بعدیAnsys Fluent  در شبیه­سازی پارامترهای مختلف هیدرولیکی برای کانال مرکب مستطیلی با بسترهای صاف و زبر بررسی شده است. مدل آشفتگی و شبکۀ مش­بندی به کمک نتایج حاصل از مدل آزمایشگاهی و مدل عددی صحت‌سنجی و سناریوهای مختلف به کمک مدل عددی مذکور شبیه­سازی شد. مقایسۀ مقادیر تنش ­برشی نشان می­دهد که با کاهش عمق در دشت­های سیلابی، میزان و درصد تنش ­برشی در دشت­های سیلابی افزایش و در کانال اصلی کاهش می­یابد و با افزایش زبری، میزان تنش ­برشی افزایش می­یابد. نتایج بررسی­ها همچنین بیانگر این نکته است که با افزایش دبی قدرت جریان افزایش می­یابد و در محل تلاقی دشت­های سیلابی و کانال اصلی سرعت بیشتر است و گردابه‌هایی در این محل تشکیل می­شود. نتایج این تحقیق می­تواند در طراحی کانال های پایداربه­خصوص در محل تلاقی کانال اصلی و دشت­های سیلابی نقش بسزایی داشته باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

3D Numerical Simulation of Shear Stress in Rectangular Compound Channel using Ansys Fluent Model

نویسندگان [English]

  • Ali Arman 1
  • Rezvan Valizadeh 2
1 Compus oF Agriculture and Natural Resources, Razi University,Kermanshah
2 Campus of Agriculture and Natural Resources, Water Engineering branch
چکیده [English]

The precise prediction of shear stress in open channel is important in many engineering issues such as designing of sustainable channels, calculation of energy losses, and sedimentation in channels. In flood duration, due to difference in depth of flow between the main channel and the flood plains surrounding the flow, the flow velocity is also different, and subsequently the stress and distribution of stress significantly changes. In this paper, it has been shown the performance of the Ansys Fluent three-dimensional numerical model in simulating various hydraulic parameters for a rectangular compound channel with smooth and rough bed and wall. Comparison of shear stress values showed that with decreasing depth in flood plains, the amount and percentage of shear stress in flood walls, and in main channel increased and decreased respectively, and also it was shown that with increasing roughness, shear stress increased. Results also indicated that with increasing flow rate, the power flow increased and velocity and vortices were formed at the intersection of flood plains and main channels. The results of this research can play a role in designing of sustainable channels, especially at the intersection of the main channel and flood walls.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Floodplain
  • Main Channel
  • Open Channel

Arman, A. and Fathi-Moghadam, M. 2012. Investigation of shear stress variations in rectangular channel section. J. Irrig. Sci. Eng. 36(3): 55-66. (in Persian)

 

Anderson, A., Tannehill, J. and Pletcher, R. 1997. Computational Fluid Mechanics and Heat Transfer. Taylor and Farncis Publishers, London, UK.

 

Bahadori, S. and Behdarvandi-Asgar, M. 2015. The effect of relative roughness on shear stress and apparent shear stress in a direct symmetric rectangular composite channel. J. Water Eng. 3(2): 111-118. (in Persian)

 

Devi, K. and Khatua, K. 2017. Depth-averaged velocity and boundary shear stress prediction in asymmetric compound channels. Arab. J. Sci. Eng. 42(9): 3849-3862.

 

Hyeongsik, K. and Sung, U. 2005. 3D numerical simulation of compound open-channel flow with vegetated floodplains by reynolds stress model. KSCE J. Civil Eng. 9(1): 7-11

 

Khatua, K. and Patra, K. 2007. Boundary shear stress distribution in meandering compound channel flow. Proceedings of the 5th Australian Stream Management Conference. Australian rivers: making a difference. May 21. Charles Sturt University, Thurgoona, New South Wales.

 

Lane, E. W. and Carlson, E. J. 1953. Some factors affecting the stability of canals constructed in coarse granular materials. Proceedings of the IAHR 5th Congress. Sep. 1-4. Minneapolis, USA.

 

Najafian, S., Younesi, H. and Parsaee, A. 2018. Numerical and physical modeling of flow characteristics in a prismatic compressor channel with inhomogeneous roughness. J. Eng. Res. Water Drain. Struct. 18(68): 1-16. (in Persian)

 

Tominaga, A., Nezu, I., Ezaki, K. and Nakagawa, H. 1989. Three dimensional turbulent structure in straight open channel flows. J. Hydraul. Res. 27(11): 149-173.

 

Tominaga, A. and Nezu, I. 1991. Turbulent structure in compound open channel flows. J. Hydraul. Eng. 117(1): 21-41.

 

Zahiri, A. 2015. Flow analysis across the river using finite elements. J. Water Soil Sci. 26(2): 229-241. (in Persian)