3D Numerical Studying into Combined Models of Pier Shape and Slot in Reducing the Bed Shear Stresses Starter of Scouring around the Bridge Pier

Authors

1 Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz,

2 Faculty of Civil Engineering, Sahand University of Technology

Abstract

آبشستگی پدیده­ای است که در اثر اندرکنش آب و خاک در مجاورت سازه­های هیدرولیکی به وجود آمده و منجر به تخریب آن­ها می­گردد. لذا روش­های مختلفی برای کنترل این پدیده پیشنهاد شده است. استفاده از شکاف در پایه پل­ها، یکی از روش­های نوین در کنترل آبشستگی موضعی می­باشد. در پژوهش حاضر، شبیه­سازی عددی سه­بعدی میدان جریان اطراف پایه­های پل با مقاطع دایره­ای، مستطیلی با دماغه نیم دایره­ای، بیضی و عدسی، در حالت بدون شکاف و شکاف­دار، به کمک نرم­افزار فلوئنت انجام شده است. عرض شکاف­ها 25/0 قطر (عرض) پایه و طول آن­ها دو برابر عرض انتخاب شده اند. در تمامی حالات شکاف در مجاورت بستر قرار دارد. به منظور تعین میزان تأثیر مقطع هندسی پایه­ها و ترکیب آن­ها با شکاف، گستردگی ناحیه تنش­های برشی آغاز کننده آبشستگی موضعی پیرامون پایه­ها و نیز بیشینه مقدار آن­ها مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می­دهند که پایه با مقطع هندسی عدسی، با کاهش 43 درصدی تنش برشی بحرانی نسبت به پایه دایره­ای ساده، مؤثرترین شکل پایه به شمار می­رود. همچنین نقش حفاظتی شکاف در پایه مستطیلی با دماغه نیم دایره­ای بیشتر می­باشد؛ لیکن در مدل­های ترکیبی مقطع هندسی پایه و شکاف، ترکیب مقطع عدسی با شکاف مستطیلی مجاور بستر، مؤثرترین مقطع در کاهش تنش­های برشی بحرانی و به طبع آن کاهش عمق آبشستگی معرفی می­گردد.

Keywords


[1]       Drysdale, D. M., "The Effectiveness of an Aerofoil Shaped Pier in Reducing Down Stream Vortices and Turbulence", University of Southern Queensland, 2008.
[2]        Laursen, E. M., Toch, A., "Scour Around Bridge Piers and Abutments", Iowa Highway Research Board Bulletin, No. 4, Bureau of Public Roads, Iowa, 1956.
[3]        Dey, S., Bose, S. K., Sastry, G. L. N., "Clear-Water Scour at Circular Piers: A Model", ASCE, Journal of Hydraulic Engineering, 1995, 121 (12), 869-876.
[4]        Breusers, H. N. C., Nicollet, G., Shen, H. W., "Local Scour around Cylindrical Piers", Journal of Hydraulic Research, 1977, 15 (3), 211-252
[5]        Melville, B. W., Coleman, S. E., "Bridge Scour", Water Resources Publication LLC, Highlands Ranch, Colorado, USA, 2000.
[6]        Dargahi, B., "Controlling Mechanism of Local Scouring", ASCE, Journal of Hydraulic Engineering, 1990, 116 (10), 1197-1214.
]7[ محمدی، ر.، "بررسی پدیده آبشستگی موضعی در اطراف پایه های استوانه­ای شکل تحت جریان­های ماندگار با استفاده از مدل فیزیکی"، پایان­نامه کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، 1385.
[8]        Chiew, Y. M., "Scour Protection at Bridge Piers", ASCE, Journal of Hydraulic Engineering, 1992, 118 (9), 1260-1269.
[9]        Kumar, V., Rang Raju, K. G., Vittal, N., "Reduction of Local Scour around Bridge piers Using Slot and Collars", ACSE, Journal of Hydraulic Engineering, 1999, 125 (12), 1302-1305.
[10]     El-Razek, M. A., El-Motaleb, M. A., Bayoumy, M., "Scour Reduction around Bridge Piers Using Internal Opening through the Pier", Journal of Alexandria Engineering, 2003, 42 (2), 241-248.
]11[    نادری بنی، م.، "کنترل و کاهش آبشستگی موضعی در پایه های پل با استفاده از شکاف"، پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، 1380.
]12[    آقاخانی افشار، ح.، "بررسی اثر هندسه شکاف پایه پل و پایه­های مجاور بر کاهش آبشستگی موضعی"، پایان­نامه کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه فردوسی مشهد، 1389.
]13[    حیدرپور، م.، افضلی­مهر، ح.، خدارحمی، ز.، "حفاظت گروه پایه­های استوانه­ای پل در برابر آبشستگی موضعی با استفاده از شکاف"، مجله علوم کشاورزی و منابع طبیعی، 1386، 4 (3)، 174-185.
[14]     Christensen, Z. M., "Reduction of Local Scour around Bridge Piers: Combined System of Aerofoil and Slot", BS Thesis, Department of Engineering and Surveying, University of Southern Queensland, 2009.
[15]     Grimaldi, C., Gaudio, R., Calomino, F., Cardoso, A., "Countermeasures Against Local Scouring at Bridge Piers: Slot and Combined System of Slot and Bed Sill", Journal of Hydraulic Engineering, 2009, 135 (5), 425-431.
[16]     Haji Mashhadi, S., Musavi Jahromi, H., Sanei, M., Shafai Bajestan, M., "Evaluation of Rectangular Slot to Control of Time Development of Local Scour around Cylindrical Bridge Pier", Journal of Ecology, Environment and Conservation,2012, 18 (13), 489-496.
]17[    خدابخشی، ع.، صانعی، م.، کلاهچی، ع. ع.، "بررسی آزمایشگاهی تأثیر ارتفاع شکاف از سطح بستر رودخانه بر آبشستگی موضعی پایه پل"، یازدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، ارومیه، 18-15 آبان ماه، 1391.
[18]     Hassanzadeh, Y., Hakimzadeh, H., Kardan, N., Ayyari, Sh., "Comparing the Flow Pattern Around the Oval Shape Pier with and without Slot Using Fluent Software", 9th International Congress on Civil Engineering, Isfahan, Iran,  8-10 May, 2012.
[19]     Ettema, R., "Scour at Bridge Piers", PhD Thesis, Auckland University, Auckland, New Zealand, 1980.
[20]     Yang, Q., "Numerical Investigations of Scale Effects on Local Scour around a Bridge Pier", MSc Thesis, Department of Civil and Environmental Engineering University of Florida State, Florida, 2005.
]21[    بشارتی، ح.، "بررسی سه­بعدی جریان اطراف پایه مخروطی با استفاده از مدل آشفتگی k-ε"، پایان­نامه کارشناسی ارشد مهندسی دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سهند، 1387.
]22[    پوراحمدی، م.، "بررسی تجربی و عددی پدیده آبشستگی موضعی در اطراف پایه­های مخروطی و هرمی شکل"، پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سهند، 1389.
]23[    عیاری. ش.، "بررسی اشکال پایه پل بر الگوی جریان اطراف آن با استفاده از نرم­افزار فلوئنت"، پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، 1386.
]24[    نوری­فر، م.، "بررسی اثر شکاف پایه پل بر کاهش عوامل آبشستگی موضعی به کمک نرم­افزار Fluent"، پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، 1389.
[25]     Esmaeili, T., Dehghani, A. A., Pirestani, M. R., Sumi, T., "Numerical Simulation of Skewed Slot Effect on Local Scour Reduction", Journal of Water Science Research, 2011, 3, 201-213.
]27[    چناری، س. ع.، ملکی، ح.، "بررسی عددی اثر پایه پل شکاف­دار و بدون شکاف بر میزان تنش­برشی کف و توزیع سرعت جریان"، یازدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران، ارومیه، 18-15 آبان، 1391.
[27]     Salaheldin, T. M., Imran, J., Chaudhry, H. "Numerical Modeling of Three-Dimensional Flow Field around Circular Piers", ASCE, Journal of Hydraulic Engineering, ACSE, 2004, 130 (2), 91-99.
[28]     Anonymous, "FLUENT User’s Guide", Fluent Incorporated, USA, 2006.
[29]     Launder, B. E., Spalding, D. B., "The Numerical Computation of Turbulent Flows", Journal of Computational Methods in Applied Mechanical Engineering, 1974, 3, 269-289.
[30]     Melville, B. W., "Local Scour at Bridge Sites", Report No. 117, Department of Civil Engineering, School of Engrg., University of Auckland, Auckland, New Zealand, 1975.