مدل سازی عددی بررسی تأثیر وجود یا عدم وجود سطح آزاد بر جریان اطراف پایه استوانه‌ای

الموضوعات : River engineering and sediment hydraulics

مهدی اسمعیل زاده فریدنی ¹ , یاسین آقایی شلمانی ²

1 - گروه عمران، دانشکده مهندسی مکانیک و عمران، واحد خمینی‌شهر، دانشگاه آزاد اسلامی، خمینی‌شهر، ایران.
2 - گروه عمران، دانشکده مهندسی مکانیک و عمران، واحد خمینی‌شهر، دانشگاه آزاد اسلامی، خمینی‌شهر، ایران.

تاريخ الإرسال : 06 الجمعة , شوال, 1446 تاريخ التأكيد : 19 الإثنين , محرم, 1447 تاريخ الإصدار : 26 الإثنين , محرم, 1447

الکلمات المفتاحية: جریان آشفته, مدلسازی سه‌بعدی, سطح آزاد, سطح ثابت, عدد فرود ,

ملخص المقالة :

پایه­­ های پل و جریان اطراف آن‌ها به‌دلیل اهمیت فراوانشان در سازه­ های هیدرولیکی همواره توجه ویژه بوده ­اند. درمطالعه حاضر با استفاده از مدلسازی عددی با استفاده از مدل آشفتگی RNG به بررسی جریان‌های آشفته در اطراف پایه استوانه­ ای پل با سطح آزاد (Free-surface) و بدون سطح آزاد (Rigid-lid) پرداخته می­ شود. هدف اصلی، مدلسازی عددی جریان در اعداد فرود زیر بحرانی 10/0، 15/0، 20/0، 25/0 و 30/0 در هر دو حالت سطح آزاد و بدون سطح آزاد است. با توجه به نتایج به‌دست آمده و مقایسه آن‌ها، در مدلسازی با عدد فرود 25/۰ و 30/0 تغییرات دو حالت با و بدون سطح آزاد در مقایسه با یکدیگر نمایان­تر است. تفاوت سرعت جریان رو به پایین در جلوی پایه به‌ازای عدد فرود 30/0 برای جریان با سطح آزاد در مقایسه با جریان بدون سطح آزاد 10 درصد است. اختلاف مقدار حداکثر سرعت در صفحه افقی در اطراف پایه در صفحه افقی به‌ازای عدد فرود 30/0 در دو مدلسازی 20 درصد است. با افزایش عدد فرود جریان طول جدایش در بالادست جریان به مقدار جزئی افزایش می­یابد. همچنین مقدار طول جدایش در پایین‌دست، برای دو مدلسازی با و بدون سطح آزاد در تمامی اعداد فرود با یکدیگر تفاوت دارد و مقدار آن برای اعداد مختلف فرود، حدود 11 درصد است.

المصادر:

Aghaee-Shalmani, Y., and Hakimzadeh, H. (2015). Investigation of the local scouring pier of the bridge with variable cross-section. Ph.D. Thesis, Sahand University of Technology, Tabriz, 268p. (In Persian)
Baker, C. J. (1979). The laminar horseshoe vortex. Journal of fluid mechanics, 95(2), 347-367. https://doi.org/10.1017/S0022112079001506
Chen, S., Zhao, W., & Wan, D. (2020). CFD study of free surface effect on flow around a surface-piercing cylinder. In ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium (pp. ISOPE-P). ISOPE.
Dargahi, B. (1989). The turbulent flow field around a circular cylinder. Experiments in fluids, 8, 1-12. https://doi.org/10.1007/BF00203058
Flow Science, Inc. FLOW-3D® Version 10.0 (Computer software).
Geng, Y. F., Guo, H. Q., & Ke, X. (2020). The flow characteristics around bridge piers under the impact of a ship. Journal of Hydrodynamics, 32(6), 1165-1177. https://doi.org/10.1007/s42241-020-0082-5
Graf, W.H. and Altinakar, M.S. (1998). Flow and transport processes in channels of simple geometry. New York, 678P.
Istiarto, I. (2001). Flow around a cylinder in a scoured channel bed. Lausanne, Switzerland: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Master's Thesis, 263p.
Kahraman, R., Riella, M., Tabor, G. R., Ebrahimi, M., Djordjević, S., & Kripakaran, P. (2020). Prediction of flow around a sharp-nosed bridge pier: influence of the Froude number and free-surface variation on the flow field. Journal of Hydraulic Research, 58(4), 582-593. https://doi.org/10.1080/00221686.2019.1631223
Kara, S., Kara, M. C., Stoesser, T., & Sturm, T. W. (2015). Free-surface versus rigid-lid LES computations for bridge-abutment flow. Journal of Hydraulic Engineering, 141(9), 04015019. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.000102
Khosronejad, A., Ghazian Arabi, M., Angelidis, D., Bagherizadeh, E., Flora, K., & Farhadzadeh, A. (2019). Comparative hydrodynamic study of rigid-lid and level-set methods for LES of open-channel flow. Journal of Hydraulic Engineering, 145(1), 04018077. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001546
Khosronejad, A., Arabi, M. G., Angelidis, D., Bagherizadeh, E., Flora, K., & Farhadzadeh, A. (2020). A comparative study of rigid-lid and level-set methods for LES of open-channel flows: Morphodynamics. Environmental Fluid Mechanics, 20, 145-164. https://doi.org/10.1007/s10652-019-09703-y
Launay, G., Mignot, E., Rivière, N., & Perkins, R. (2017). An experimental investigation of the laminar horseshoe vortex around an emerging obstacle. Journal of Fluid Mechanics, 830, 257-299. https://doi.org/10.1017/jfm.2017.582
Li, D., Yang, Q., Ma, X., & Dai, G. (2018). Free surface characteristics of flow around two side-by-side circular cylinders. Journal of Marine Science and Engineering, 6(3), 75. https://doi.org/10.3390/jmse6030075
Nasif, G., Balachandar, R., & Barron, R. M. (2016). Mean characteristics of fluid structures in shallow-wake flows. International Journal of Multiphase Flow, 82, 74-85. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.03.001
Raudkivi, A. J., & Ettema, R. (1983). Clear-water scour at cylindrical piers. Journal of hydraulic engineering, 109(3), 338-350. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1983)109:3(338)
Roulund, A., Sumer, B. M., Fredsøe, J., & Michelsen, J. (2005). Numerical and experimental investigation of flow and scour around a circular pile. Journal of Fluid mechanics, 534, 351-401. https://doi.org/10.1017/S00221120050045079
Salaheldin, T. M., Imran, J., & Chaudhry, M. H. (2004). Numerical modeling of three-dimensional flow field around circular piers. Journal of Hydraulic Engineering, 130(2), 91-100. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2004)130:2(91)
Shaheed, R., Mohammadian, A., & Shaheed, A. M. (2025). Numerical Simulation of Turbulent Flow in River Bends and Confluences Using the k-ω SST Turbulence Model and Comparison with Standard and Realizable k-ε Models. Hydrology, 12(6), 145. https://doi.org/10.3390/hydrology12060145
Stipa, S., Ahmed Khan, M., Allaerts, D., & Brinkerhoff, J. (2024). A large-eddy simulation (LES) model for wind-farm-induced atmospheric gravity wave effects inside conventionally neutral boundary layers. Wind Energy Science, 9(8), 1647-1668. https://doi.org/10.5194/wes-9-1647-2024, 2024
TĂNASE, N. O., BROBOANĂ, D., & BĂLAN, C. (2014). Flow around an immersed cylinder in the presence of free surface. Scientific Bulletin, Series D, UPB, 76(2), 259-266.
Wang, J. S. (2010). Flow around a circular cylinder using a finite-volume TVD scheme based on a vector transformation approach. Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 22(2), 221-228. https://doi.org/10.1016/S1001-6058(09)60048-2