مطالعه تحلیلی میدان جریان در کانال‌های مرکب غیرمنشوری با سیلاب‌دشت‌های همگرا با استفاده از روش اصلاح شده SKM

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

گروه عمران دانشکده مهندسی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان

چکیده

ماهیت سه‌بعدی جریان در کانال‌های مرکب با سیلاب‌دشت‌های منشوری، پیش‌بینی توزیع سرعت و تنش برشی را برای مهندسین هیدرولیک به امری دشوار تبدیل کرده است. این پیچیدگی‌ها درمواقعی که سیلاب‌دشت‌ها از حالت منشوری به غیرمنشوری تغییر شکل دهند، افزایش قابل ملاحظه‌ای می‌یابد. در کانال‌های مرکب غیرمنشوری با سیلاب‌دشت‌های همگرا، به‌دلیل تغییرات هندسی کانال، تبادل جرم و به­ دنبال آن اندرکنش بین جریان سیلاب‌دشت‌ها و کانال اصلی افزایش می‌یابد. در این تحقیق براساس معادله دیفرانسیل ناویه- استوکس (Navier–Stokes) متوسط ­گیری شده در عمق، یک روش تحلیلی ارائه و با استفاده از آن، توزیع سرعت متوسط در عمق و تنش برشی جداره در کانال مرکب غیرمنشوری با سیلاب‌دشت‌های همگرا مورد مطالعه قرار گرفته است. بدین منظور و جهت در نظر گرفتن تأثیر جریان ثانویه در معادله دیفرانسیل ناویه- استوکس متوسط­ گیری شده در عمق، متوسط زمانی حاصل‌ضرب مؤلفه‌های سرعت، متناست با حاصل‌ضرب مؤلفه‌های سرعت متوسط در عمق، در نظر گرفته شده است. همچنین به­ دلیل غیر یکنواختی جریان شیب خط انرژی در معادله حاکم جایگزین شیب طولی کانال شده است. سپس نتایج سرعت متوسط در عمق و تنش برشی پیش‌بینی شده در کانال مرکب با سیلاب‌دشت‌های همگرا برای دو زاویه همگرایی 31/11 و 81/3 درجه، با نتایج حاصل از روش شیونو و نایت (Shiono and Knight Method)، روش شیونو و نایت اصلاح شده به­ وسیله Rezaei وKnight  (2009)، (MSKM) و نیز داده‌های آزمایشگاهی مربوطه مقایسه شده است. بررسی‌ها حکایت از انطباق بهتر داده‌های آزمایشگاهی و نتایج حاصل از روش تحلیلی ارائه شده، دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Analytical Study of Flow Field in Non-Prismatic Compound Channel with Converging Floodplains Using Modified SKM

نویسندگان [English]

  • Bahram Rezaei
  • Mahbobeh Shamsi
Civil Engineering Department, Faculty of Engineering, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
چکیده [English]

Prediction of flow filed in compound channel is an important task for hydraulic researches because of three-dimensional nature of flow. The complexity of the problem increases, significantly, when floodplains geometry changes from prismatic to non-prismatic form. In non-prismatic compound channels with converging floodplains, the main feature consists of the mass and consequent momentum exchange between the floodplains and the main channel. In the present work based on the depth-averaged Navier-Stokes equation an analytical method is proposed and used to predict the depth-averaged velocity and boundary shear stress distribution in non-prismatic compound channels with converging floodplains.  In order to consider the effect of the secondary flows in the depth-averaged Navier-Stokes equation, temporal mean velocity components are assumed to be a portion of the depth-averaged velocity. Also, since the flow condition is not uniform; the flume bed slope has been replaced by the energy line slope. The results of the proposed analytical method are then compared with the experimental data, the modified SKM suggested by Rezaei and Knight (MSKM) and the SKM method. The study shows that there are good agreement between the results of the new analytical method and the experimental data.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Non-prismatic compound channel
  • Navier stokes equation
  • Modified shiono and knight method
Abril B, Knight DW, “Stage-discharge prediction for rivers in flood applying a depth-averaged model”, Journal of Hydraulic Research, IAHR, 2004, 42 (6), 616-629.
Alawadi, W, Al-Rekabi WS, Al-Aboodi AH, “Application of the Shiono and Knight Method in asymmetric compound channels with different side slopes of the internal wall”, Applied Water Science, 2018, 8 (4), 1-10.
Bousmar D, “Flow modeling in compound channels- Momentum transfer between main channel and prismatic or non-prismatic floodplains”, PhD Thesis, Universite Catholique de Louvain, Belgium, 2002.
Devi K, Khatua K, “Depth-averaged velocity and boundary shear stress prediction in asymmetric compound channels”, Arabian Journal for Science and Engineering, 2017, 42 (9), 3849-3862.
Ervine DA, Babaeyan Koopaei K, Sellin RHJ, “Two-Dimensional solution for straight and meandering overbank flows”, Journal of Hydraulic Engineering, IAHR, 2000, 126 (9), 653-669.
Ikeda S, “Role of lateral eddies in sediment transport and channel formation”, River Sedimentation, Jayawardena, Lee and Wang, eds., Balkema Rotterdam, 1999, 195-203.
Knight DW, Shiono K, Pirt J, “Prediction of depth mean velocity and discharge in natural rivers with overbank flow”, Proc. Int. Conf. on Hydraulic and Environmental Modeling of Coastal, Estuarine and River waters, (Ed. R. A. Falconer, P. Goodwin, R. G. S. Mathew), Gower Technical, University of Bradford, September, 1989, 38, 419-428.
Kordi H, Amini R, Zahiri A, Kordi E, “Improved Shiono and Knight Method for overflow modeling”, Journal of Hydrologic Engineering, 2015, 20 (12), 1-10.
Lambert MF, Sellin RHJ, “Discharge prediction in straight compound channels using the mixing length concept”, Journal of Hydraulic Research, IAHR, 1996, 34 (3), 381-394.
Rezaei B, “Overbank flow in compound channels with prismatic and non-prismatic floodplains”, PhD Thesis. University of Birmingham, Birmingham, UK, 2006.
Rezaei B, Knight DW, “Application of the Shiono and Knight Method in compound channels with non-prismatic floodplains”, Journal of Hydraulic Research, 2009, 47 (6), 716-726.
Rezaei B, Knight DW, “Overbank flow in compound channels with non-prismatic floodplains”, Journal of Hydraulic Engineering, 2011, 137 (8), 815-824.
Sellin RHJ, “A laboratory investigation into the interaction between the flow in the channel of a river and that over its floodplain”, La Houille Blanche, 7, 1964, 793-801.
Shiono K, Knight DW, “Two-dimensional analytical solution for a compound channel”, Proc., 3rd Int. Symposium on Refined Flow Modeling and  Turbulence Measurements, Tokyo, Japan, July, 1988, 503-510.
Shiono K, Knight DW, “Mathematical models of flow in two or multi stage straight channels”, Int. Conf. on River Flood Hydraulics, (Edited by White, W.R.), Hydraulic Research Ltd., Journal Wiley and Sons, 1990, 229-238.
Shiono K, Knight DW, “Turbulent open channel flows with variable depth across the channel”, Journal of Fluid Mechanics, 1991, 222, 617-646.
Tominaga A, Nezu I, “Turbulent structure in compound open channel flow”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1991, 117 (1), 21-41.
Wark JB, Samuel PG, Ervine DA, “A practical method of estimating velocity and discharge in compound channels”, International Conference on River Flood Hydraulics, (Edited by White, W.R.), Hydraulic Research Ltd., Journal Wiley and Sons, 1990, 163-172.
Wormleaton PR, “Determination of discharge in compound channels using the dynamic equation for lateral velocity distribution”, Proc. Int. Conf. on Fluvial Hydraulics, Belgrade, Hungary, 1988, 98-103.
Wormleaton PR, “Floodplain secondary circulation as a mechanism for flow and shear stress redistribution in straight compound channels”, In Coherent Flow structures in Open Channels [Eds Ashworth, Bennett, Best and McLelland], Chapter 28, John and Wiley, 1996, 581-608.