عنوان
مدل سازي دوفازه آبشستگي در پاي موج شكن هاي قائم و شيبدار
نويسنده اصلي
حميد هوشنگي
مقطع تحصيلي
دكتري تخصصي
چكيده
ناپايداري و تخريب موجشكنها در اثر بروز پديده آبشستگي، هزينه زيادي را براي ترميم يا جايگزيني اين سازهها ايجاد مينمايد. اندركنش توام دو فاز سيال و رسوب با ديناميك و خصوصيات متفاوت در وقوع اين پديده، مطالعه آن را به صورت يك محيط دوفازه بسيار ضروري ميسازد. مدل سازي برخورد بين ذرات رسوب، برخورد ذرات رسوب و ديوارهها و تنشهاي بين آنها، نقش مهمي در شبيهسازي عددي مكانيزم آبشستگي دارد. براي در نظر گرفتن برخوردها و تنشهاي موجود در ميدان فاز رسوب، نياز به توسعه مدلي بر اساس ديدگاه لاگرانژي است كه توانايي شبيهسازي جريانهاي ذرهاي محيط گسسته فاز رسوب را داشته باشد. همچنين، تركيب مدل لاگرانژي فاز رسوب با يك مدل لاگرانژي براي شبيهسازي فاز سيال كه تبادل مناسبي از اندازه حركت بين فازها را برقرار نمايد، بسيار ضروري است. عدم استفاده از شبكه بندي در اين گونه از مدلسازي، مشكلاتي نظير حل مسائل با هندسههاي پيچيده و جريانهاي با سطح آزاد را تسهيل ميكند. علاوه بر آن، مدل دوفازه ذرهاي بر اساس ديدگاه لاگرانژي، با انعطافپذيري بالاي خود ، قابليت تركيب بهتري را با يكديگر داشته و در نظر گرفتن اندركنش بين فازها در آن آسان تر صورت مي گيرد .
بنابراين، توسعه و استفاده از يك مدل لاگرانژ-لاگرانژي بر اساس روشهاي عددي ذره اي، رويكرد بسيار خوبي در شبيه سازي و مطالعه مكانيزم پديده آبشستگي با جريان هاي سطح آزاد و جريان هاي ذره اي رسوبات است.
در اين تحقيق براي اولين بار، با توسعه يك مدل عددي دوفازه لاگرانژ -لاگرانژي ، فرآيند وقوع پديده
آبشستگي در پاي موجشكنهاي قائم و شيبدار به صورت دوبعدي و سيستماتيك مطالعه شده است . در مدل دوفازه حاضر، فاز سيال از طريق حل معادلات بقاي جرم و اندازه حركت (ناوير-استوكس) به كمك توسعه يك روش ذرهاي لاگرانژي بنام هيدروديناميك ذرات هموار تراكمپذير ضعيف 1 به همراه يك مدل آشفتگي با مقياس تحت ذرهاي 2 ارائه گرديده است. فاز رسوب نيز توسط حل معادلات نيوتن به كمك توسعه يك روش ذرهاي لاگرانژي بنام شبيه ساز بستر متحرك 3 بر مبناي روش المان مجزا 4 ارائه شده است.
برخورد ذرات به يكديگر و ديوارهها و تنشهاي موجود بين آنها به صورت برخورد نرمال و اصطكاكي نرم
از طريق اعمال سيستم فنر-ميراگر 5 در نظر گرفته شده است. اندركنش بين دو فاز سيال و رسوب نيز به صورت نيرويي با لحاظ نيروهاي دراگ، ليفت، شناوري و جرم افزوده (اينرسي) انجام گرفته است . براي اعمال اندركنش بين فازها، از مولفههاي سرعت جريانهاي چرخشي انتقال جرم استفاده شده كه زمان و حجم بالاي محاسبات عددي را بسيار كاهش داده است.
در اين تحقيق، تاثير پارامترهاي موثر بر پديده آبشستگي نظير تشكيل امواج ايستا در برابر موج شكن ها ، شيبهاي متفاوت ديواره موجشكن، مشخصات متفاوت امواج برخوردي و مشخصات متفاوت مصالح بستر با ارائه دو معيار فيزيكي و عددي براي كنترل زمان تعادل آبشستگي در نظر گرفته شده و جهت ارزيابي عملكرد مدل دوفازه، نتايج شبيهسازي عددي با نتايج آزمايشگاهي مورد صحت سنجي قرار گرفته است. ارزيابيهاي انجام شده، گوياي عملكرد مطلوب مدل حاضر در مدلسازي آبشستگي در پاي موج - شكنهاي ساحلي و فراساحلي است. نتايج عددي حاكي از آن است كه براي بستر با مصالح ريزدانه در مقابل موجشكن قائم، با كاهش نسبت عمق آب به طول موج (عمق نسبي) مقدار عمق آبشستگي افزايش يافته و توسعه زماني آن در قالب يك تابع نمايي پيش ميرود. الگويي از جريانهاي چرخشي همانند جريان چرخشي امواج ايستا در لايه تهنشست رسوب در مقابل موجشكن قائم مشاهده ميگردد كه ناشي از انتقال ممنتوم از لايههاي فوقاني است. با افزايش سرعت جريانهاي چرخشي ميزان انتقال جرم، نرخ رسوب - گذاري و طول حفره آبشستگي زياد ميشود. از طرف ديگر، براي بستر با مصالح درشت دانه، الگوي آبشستگي در اثر تغيير شيب موجشكن تفاوت زيادي را نشان ميدهد ؛ كاهش شيب ديواره موج شكن، موجب كاهش مقدار عمق آبشستگي و تغيير الگوي پروفيل بستر ميگردد. نتايج عددي نشان ميدهد كه با كاهش شيب ديواره موجشكن، زمان رسيدن به شرايط تعادل نيز كاهش مييابد؛ بنابراين با توجه به نتايج
حاصله، ميتوان با ايجاد شيب در بدنه موجشكن قائم از بروز آبشستگي در مقابل اين نوع از سازه هاي دريايي تا حد زيادي جلوگيري به عمل آورد.
واژه هاي كليدي: مدل دوفازه، آبشستگي، موجشكنهاي قائم و شيبدار .MBS ،WCSPH
شماره ركورد
190291
دانشگاه
دانشگاه علم و صنعت ايران
استاد مشاور
دكتر فاطمه حاجي وليئي
رشته تحصيلي
مهندسي عمران - آب
استاد راهنما
دكتر عباس يگانه بختياري - دكتر ابراهيم جباري