احداث پایه‏های پل در رودخانه‏ها اثراتی مهم و گاه مخرب به همراه دارد که از این میان می‏توان به مواردی چون اعمال نیروی هیدرودینامیکی جریان بر پایه، وقوع آبشستگی موضعی حول پایه و افزایش سطح آب در بالادست پایه (فراآب) اشاره نمود (کریمی‏نیا و صالحی نیشابوری، 1390). به برداشته شدن مواد کف بستر در اطراف پایه‏ها آبشستگی پایه پل گویند. شتاب جریان ناشی از پایه‏های پل باعث ایجاد گرداب‌های نعل اسبی[1] و گرداب‌های دنباله[2] در اطراف پایه‏ها می‏شود. گرداب‌های نعل اسبی که در پایین پایه‏ها به‏ وجود می‏آید اساسی‏ترین نیروی مستقیم را که سبب فرسایش مواد بستر می‏گردد را ایجاد می‏کنند. قرارگیری پایه‏های پل در مسیر جریان باعث ایجاد ساختار افقی جریان می‏گردند (هافمن و ورهیج[3]، 1997). شکل و عمق آبشستگی موضعی اطراف پایه‏های پل در درجه اول به شکل هندسی پایه پل بستگی دارد. الگوی جریان و آبشستگی در اطراف پایه در شکل 1-1 نشان داده‌شده است.

شکل 1-1- مکانیسم آبشستگی پایه پل (هربیچ[4]، 1984)

فرآیند آبشستگی در اطراف پایه نسبتاً پیچیده است. این الگوی پیچیده جریان در چاله آبشستگی به تفصیل توسط افراد متعددی مورد 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

  بررسی قرار گرفته است که از آن جمله می‏توان به هربیچ (1984)، درگاهی[5] (1987)، بریسرز ورادکیوی[6] (1991) اشاره کرد. جریانهای اصلی ایجاد کننده آبشستگی در اطراف پایه شامل جریان رو به پایین[7] در بالادست پایه، گردابهای نعل اسبی در پایین پایه، جریانهای غلتکی سطحی[8] در بالادست پایه و گردابهای دنباله در پایین دست پایه می‏باشد. جریان پایین رونده در نتیجه مانع شدن بدنه پایه در مقابل جریان می‏باشد که باعث کاهش سرعت جریان در بالادست پایه می‏شود. برخورد جریان پایین رونده به بستر مانند یک جت عمودی عمل می‏کند. برخورد جریان پایین رونده با جریان افقی لایه مرزی در نزدیکی کف، گردابهای نعل اسبی را در پایین پایه بوجود می‏آورد (ریچاردسون و پانچانگ[9]، 1998). بلافاصله در جلوی پایه شیاری ایجاد می‏گردد. دو جریان گردابهای نعل اسبی و دنباله مصالح بستر را از منطقه پایین پایه جابه‏جا می‏کنند. هرچند، با فاصله گرفتن از پایین‏ دست پایه شدت گردابهای دنباله به سرعت کاهش می‏یابند (ریچاردسون و دیویس[10]، 2001). از این رو بلافاصله در پایین دست پایه مصالح بستر رسوب می‏کنند.

1-2- ضرورت انجام تحقیق

با توسعه مدل‏های عددی در حال حاضر نرم‏افزار‏های زیادی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی[11] (CFD) در سرتاسر دنیا مورد استفاده قرار می‏گیرد. مدل‏های عددی براساس ابعاد واقعی عمل نموده و از شرایط خاص جهت تعیین سرعت جریان آشفته و آبشستگی بستر استفاده می‏نمایند. نرم‏افزار Flow-3D نرم‏افزاری چند جانبه و سازگار با شرایط پیچیده جریان در مدل‏سازی به صورت دو بعدی و سه بعدی است. این نرم‏افزار توانایی حل معادلات پیوستگی و اندازه حرکت یا معادلات ناویر استوکس را داراست بطوریکه میدان جریان را به صورت حجم کنترل‏های مجزا در نظر می‏گیرد و از معادلات حاکم بر جریان سیال روی هر حجم کنترل انتگرال گرفته می‏شود.

روابط فراوانی برای تخمین عمق آبشستگی موضعی پایه پل‏ها ارائه شده است. اغلب آنها از مطالعات آزمایشگاهی بدست آمده‏اند و تعداد کمی از آنها نیز با استفاده از اطلاعات میدانی بازبینی شده‏اند. امروزه، علم دینامیک سیالات محاسباتی مهندسین را قادر به بررسی هیدرودینامیک این پدیده نموده است. با توجه به محدودیت‏های مطالعات آزمایشگاهی مانند زمان بر بودن، هزینه بالا و نیاز به امکانات آزمایشگاهی خاص خود و نیز لزوم انجام مطالعات بیشتر برای شناخت کامل‏تر این پدیده، نیاز به استفاده از روش‏های عددی کارآمد و کم هزینه به روشنی احساس می‏شود، از این رو می‏توان شبیه‏سازی عددی را گزینه مناسبی جهت بررسی خصوصیات مختلف جریان دانست؛ بنابراین در این مطالعه با استفاده از نرم‏افزارFlow-3D Ver.10.0.1 میدان جریان سه بعدی متلاطم و خصوصیات مختلف آن در اطراف تک پایه پل و سری گروه پایه پل با چینش متفاوت مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

1-3- هدف تحقیق

هدف از این تحقیق، شبیه‏سازی الگوی جریان متلاطم در اطراف تک پایه و گروه پایه‏های پل با چینش متفاوت و در شرایط حضور و عدم حضور چاله آبشستگی با استفاده از نرم‏افزار   Flow-3D Ver.10.0.1 می‏باشد. همچنین از مدل‏های مختلف تلاطمی نیز جهت حل معادلات ناویر استوکس استفاده خواهد شد و در نتیجه جهت صحت‏سنجی مدل، نتایج بدست آمده از شبیه‏سازی با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه می‏گردند.