نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

بررسی عددی میزان آبشستگی در پایین‌دست سرریزهای کنگره‌ای با پلان مثلثی با استفاده از نرم‌افزارFLOW-3D

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
نازیلا کاردان 1
مهدی کماسی 2
سارا ثمین فر 3
1 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران
2 دانشیار، دکتری مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی ،گروه مهندسی عمران، دانشگاه آیت اله بروجردی(ره)، بروجرد، ایران
3 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران.
10.22125/iwe.2023.407266.1737
چکیده
سرریزهای کنگره‌ای به علت افزایش ظرفیت عبوری از طریق افزایش عرض، نسبت به سرریزهای خطی همواره مورد توجه ویژه‌ای قرارگرفته‌اند. علاوه بر اهمیت گذردهی جریان در سرریزهای کنگره‌ای، آبشستگی و فرسایش بستر در پایین‌دست این نوع سرریزها جهت کنترل و حفاظت ازاین‌گونه سازه‌ها در برابر خرابی‌ها نیز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است؛ در پژوهش حاضر مدل عددی سرریزهای کنگره‌ای با پلان مثلثی، مورد ارزیابی قرار گرفته است. تعداد 23 مدل با استفاده از نرم‌افزار Flow-3D جهت بررسی میزان اثرگذاری عوامل مختلف نظیر تغییر در ارتفاع بدنه سد، تغییر در ارتفاع کنگره‌ها (ارتفاع سرریز)، میزان دبی عبوری از روی سرریز، و زوایای مختلف کنگره‌ها در پلان بر میزان فرسایش بستر در پایین‌دست سرریزهای کنگره‌ای مورد مطالعه قرار گرفت. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده می‌توان بیان کرد با افزایش ارتفاع کنگره‌های سرریز و افزایش ارتفاع بدنه سد، سرعت و تداخل تیغه‌های جریان به هنگام عبور از روی سرریز به‌طور هم‌زمان افزایش می‌یابد. لیکن افزایش سرعت جریان در پای سد، وقوع پرش هیدرولیکی و برشگت جریان به سمت بالادست موجب کاهش قابل توجه عمق آبشستگی در بستر پایین‌دست سرریزهای کنگره‌ای می‌گردد. این کاهش در سرریز با زاویه راس 60 درجه بیشتر از سایر مدل‌ها بوده و عمق آبشستگی از 31 تا حدود 90 درصد کاهش می‌یابد. همچنین میزان گذردهی جریان در این نوع سرریز نیز نسبت به سایر مدل‌ها بیشتر بوده که موجب شده است در بررسی توام دو پارامتر راندمان سرریز و عمق آبشستگی، سرریز با زاویه 60 درجه به عنوان بهینه‌ترین سرریز نسبت به مدل‌های خطی، 45 و 90 معرفی گردد.
کلیدواژه‌ها
سرریز کنگره‌ای
مدل عددی
آبشستگی
راندمان هیدرولیکی
نرم‌افزار Flow-3D
موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Simulation of the Bed Scouring Downstream the Triangular Labyrinth Weirs Using Flow-3D

نویسندگان English

Nazila kardan 1
mahdi komasi 2
Sara Samin Far 3
1 Department of Civil Engineering, Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
2 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, University of Ayatollah Ozma Boroujerdi, Boroujerd, Iran
3 Department of Civil Eng. Azarbaijan Shahid Madani University, Tabriz, Iran
چکیده English

Labyrinth weirs have always received special attention compared to linear weirs due to the increase in flow capacity through the increase in width. The number of 23 models was simulated using Flow-3D software to investigate the effect of various factors such as changing in the height of the dam body, changing the height of the weir apexes (weir height), the discharge passing over the weir, and the effects of different angles of the weir apex in the plan on the amount of bed erosion in the downstream of Labyrinth weir was studied. Validation of the numerical simulation results with the experimental model indicated a very good agreement between the numerical simulation and the experimental values. This reduction in the weir with an apex angle of 60 degrees is more than other models and the scour depth is reduced from 31 to about 90%. Also, the amount of flow traversability in this type of weir is more than other models, which made the weir with an angle of 60 degrees to be introduced as the most optimal weir in investigating the efficiency of the weir and the reduction of scouring compared to linear models, 45 and 90.

کلیدواژه‌ها English

Triangular Labyrinth weir
Scouring
Numerical simulation
Flow-3D
 
Aly-Elnikhely, E. and Fathy, I. 2020. Prediction of scour downstream of triangular labyrinth weirs. Alexandria Engineering Journal, 59(2): 1037-1047.
Amanian, N. 1987. Performance and design of labyrinth spillways, M.S. thesis, Utah State University, Logan, Utah.
Babakhani, A. and Morsali, M. 2020. Investigation on the effect of different parameters on maximum scour depth at triangular labyrinth weir without apron. Modarres Civil Engineering journal, 20(1): 1-10.
Brethour, J.M. 2001. Transient 3-d model for lifting, transporting and depositing solid material. International Symposium on Environmental University Hydraulics, Tempe, Arizona.
Crookston, B.M. and Tullis, B.P. 2010. Hydraulic performance of labyrinth weir". Proc. of the Int. Junior Researcher and Engineer Workshop on Hydraulic Structures (IJREWHS’10). Edinburgh, U.K.
Crookston, B.M. and Tullis, B.P. 2011. Hydraulic characteristics of labyrinth weirs, Labyrinth and Piano Key weirs (PKW). Taylor and Francis Group, London, 25-32.
Crookston, B.M. and Tullis, B.P. 2012a. Discharge efficiency of reservoir-application-specific labyrinth weirs. American Society of Civil Engineering, Journal of Hydraulic Engineering, 138(6): 564-568.
Crookston, B.M. and Tullis, B.P. 2012b. Arced labyrinth weirs. American Society of Civil Engineering. Journal of Hydraulic Engineering, 138(6): 555-562.
Crookston, B.M. and Tullis, B.P. 2013. Hydraulic design and analysis of labyrinth weirs I: discharge relationships. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 139(5): 363-370.
D’Agostino, V. and Ferro, V. 2004. Scour on alluvial bed downstream of grade-control structures. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 130 (1): 24–37.
Dargahi, B. (2003). Scour development downstream of a spillway. Journal of Hydraulic Research, 41(4): 417–426.
Dey, S., Bose, S.K. and Sastry, G.L.N. 1995. Clear-water scour at circular piers: a model. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 121(12): 869-876.
Elnikhely, E.A. 2016. Minimizing scour downstream of spillways using curved vertical sill. Nineteenth International Water Technology Conference.Ettema, R. 1980. Scour at bridge piers. PhD Thesis, Auckland University, Auckland, New Zealand.
Falvey, H.T. 2003. Hydraulic design of labyrinth weirs. ASCE Press, Reston, VA, United States.
Flow Science, Inc.  2008. FLOW-3D User’s Manual. Flow Science, Inc.
Gentilini, B. 1940. Stramazzi con cresta a planta obliqua e a zig-zag, Memorie e Studi dell Instituto di Idraulica e Construzioni Idrauliche del Regil Politecnico di Milano, Italian.
Ghodsian, M. 2009. Stage–discharge relationship for a triangular labyrinth spillway, in Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Water Management, 162(3): 173-178.
Gupta, K.K., Kumar, S. and Ahmad, Z. 2015. Effect of weir height on flow performance of sharp crested rectangular - planform weir. World Applied Sciences Journal, 33(1): 168-175.
Guven, A. and Gunal, M. 2008. Prediction of scour downstream of gradecontrol structures using neural networks. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 134(11): 1656–1660.
Heidarpour, M., Mousavi, S.F. and Roshanimehr, A.R. 2007. Investigation of polyhedron weirs with rectangular plan and U-shaped, (in Persian). Journal of Science and Technology of Agriculture and Natural Resources, 3(A): 1-11.
Jüstrich, S., Pfister, M. and Schleiss, A.J. 2016. Mobile riverbed scours downstream of a Piano Key weir. Journal of Hydraulic Engineering, 142(11): 40-46.
Kardan, N., Hakimzadeh, H. and Hassanzadeh, Y. (2013). 3D Numerical simulation of hydrodynamic parameters around the bridge piers using various turbulence models. Journal of Irrigation Science and Engineering, 37(4): 39-54 (in Persian).
Kumar, V., Rang Raju, K.G. and Vittal, N. 1999. Reduction of local scour around bridge piers using slot and collars. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 125(12): 1302-1305.
Kumar, B. and Ahmad, Z. 2020. Experimental study on scour downstream of a piano key weir with nose. 8th IAHR ISHS, Santiago, Chile.
Melville, B.W. and Chiew, Y.M. 1999. Time scale for local scour at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 125(1): 59-65.
Melville, B.W. and Lim, S.Y. 2013. Scour caused by 2D horizontal jet. Journal of Hydraulic Engineering, 140(2): 149-155.
Melville, B.W. 2015. Scour at various hydraulic structures: sluice gates, submerged bridges and low weirs, in: Conference: 5th IAHR International Symposium on Hydraulic Structures, Brisbane, Australia, 2014, Conference Paper, Australasian. Journal of Water Resources, 18(2): 101–117.
Morsali M. 2019. Investigation on scour downstream of triangular labyrinth weir. M.Sc. thesis. University of Zanjan, Zanjan, Iran.
Novak, P.J. 1961. Influence of bed load passage on scour and turbulence downstream of stilling basin, in: 9th Congress, IAHR, Dubrovnik, Croatia.
Saleh, O.K., Elnikhely, E.A. and Ismail, F. 2019. Minimizing the hydraulic side effects of weirs construction by using labyrinth weirs.  Flow Measurement and Instrumentation, 66: 1–11.
Scurlock, S.M., Thornton, L.C. and Abt, S.R. 2012. Equilibrium scours downstream of three-dimensional grade control structure. Journal of Hydraulic Engineering, 138(2): 167-176.
Schoklitsch Kolkbildungunteru, A. 1932. Berfallstrahlen, Scour formation below overfall jets, Dieasserwirtschaft, 25(24): 341–343 (in German).
Sheppard, D.M. and Miller, W. 2006. . Live Bed Local pier scour experiments. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 132(7): 635-642.
Smith, H. and Foster, D. 2005. Modeling of flow around a cylinder over a scoured Bed. Journal of waterway, port, coastal, and ocean engineering, 14(1): 121-137.
Van Rijn, L.C. 1984. Principles of sediment transport in rivers, estuaries and coastal seas. University of Utrecht, the Netherlands.
Yazdi, A.M., Hoseini, S.A., Nazari, S. and Amanian, N. 2021. Effects of weir geometry on scour development in the downstream of Piano Key Weirs. Water Supply, 21(1): 289-298.