متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد

عنوان : الگوی جریان و آبشستگی اطراف پایه‌ی پل

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
 
فهرست مطالب
 
 
فصل 1-مقدمه وکلیات……………………………………………………………………………………………………………………………………. خ‌
1-1-مقدمه. 3
1-2-توصیف جریان عبوری ازروی سیلندر 4
1-3-الگوی جریان ومکانیزم آبشستگی اطراف پایه‌ی پل.. 8
1-4-ضرورت انجام پژوهش.. 15
1-5-ساختارکلی پایان‌نامه. 17
فصل 2-مروری برمطالعات پیشین…………………………………………………………………………………………………………………. 19
2-1-مروری برمطالعات آزمایشگاهی وصحرایی پایه‌ی پل.. 20
2-2-مروری برمطالعات عددی جریان اطراف پایه‌ی پل.. 25
فصل 3-معادلات وروابط حاکم……………………………………………………………………………………………………………………….. 29
3-1-معادلات حاکم وگسسته‌سازی آن‌ها درروش حجم محدود. 30
3-1-1-معادلات حاکم برجریان سیال.. 30
3-1-2-خصوصیات جریان آشفته. 31
3-1-3-گسسته‌سازی.. 32
3-1-4-محاسبه میدان جریان.. 34
3-1-5-شرایط مرزی.. 36
3-1-6-مفهوم توابع دیواره 38
3-2-معادلات حاکم وگسسته‌سازی آن‌ها درروشSPH.. 40
3-2-1-اساس روشSPH.. 41
3-2-2-انفصال دامنه. 42
3-2-3-محاسبه‌ی گرادیان‌ها 43
3-2-4-تابع کرنل.. 44
3-2-5-به‌دست آوردن معادلاتSPH.. 48
3-3-الگوریتم حل.. 53
3-3-1-الگوریتم پیش‌بینی-تصحیح.. 53
3-3-2-الگوریتم ورلت… 54
3-3-3-الگوریتم سیمپلکتیک…. 55
3-3-4-الگوریتم بیمن.. 56
3-3-5-گام زمانی متغیر. 57
3-3-6-معادلات جسم شناور 58
فصل 4-معرفی برنامه‌های مورداستفاده…………………………………………………………………………………………………………. 60
4-1-معرفیSPHysics 61
4-2-نرم افزارOpenFOAM… 63
4-2-1-معرفیOpenFOAM… 64
4-2-2-فرایندحل درOpenFOAM… 67
فصل 5-نتایج عددی……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 70
5-1-مقدمه. 71
5-2-مطالعه استقلال حل عددی ازشبکه. 71
5-3-آماده‌سازی مدل‌ها 78
5-4-نتایج.. 80
5-4-1-ضریب درگدررینولدزهای مختلف… 80
5-4-2-الگوی جریان اطراف پایه‌ی پل.. 84
5-4-3-میدان سرعت اطراف پایه‌ی پل.. 87
فصل 6-نتیجه‌گیری وپیشنهادات…………………………………………………………………………………………………………………… 91
6-1-مقدمه. 92
6-2-جمع‌بندی ونتیجه‌گیری.. 92
6-3-پیشنهادات برای آینده 93
 
فهرست اشکال
 
 
شکل‏1‑1 جریان عبوری ازروی سیلندربرای عددرینولدزکمتراز 4 وعددرینولدزبین 4 تا 40. 5
شکل‏1‑2 جریان عبوری ازروی سیلندربرای عددرینولدزبین 80 تا 200. 5
شکل‏1‑3 خطوط گردابه‌ ایفون کارمن.. 6
شکل‏1‑4 بهره گیری ازپره‌های مارپیجی به منظورجلوگیری ازایجادنوسان درگردابه‌هادراثرعبورجریان هواازروی میله استوانه‌ای  7
شکل‏1‑5 نموداراستروهال به عددرینولدز 8
شکل‏1‑6 الگوی جریان وحفره آبشستگی اطراف پایه پل.. 9
شکل‏1‑7 الگوی جریان وحفره آبشستگی اطراف یک پایه پل استوانه‌ای شکل.. 10
شکل‏1‑8 الگوی جریان درجلوی پایه. 12
شکل‏1‑9 مراحل فرسایش وبوجودآمدن گردابه‌های مختلف دریک دوره آبشستگی پایه پل.. 13
شکل‏1‑10 محل وچگونگی تشکیل گرداب‌های برخاستگی.. 13
شکل‏1‑11 نمودارمیزان آبشستگی به ازای الف)زمان ب)سرعت برشی.. 15
شکل‏1‑12 آبشستگی پایه پل که منجربه تخریب پل شده می باشد (چم‌چال،کرمانشاه) 17
شکل‏1‑13 آبشتگی پایه‌ی یک پل درآمریکا 17
شکل‏2‑1 عمق آبشستگی درزوایا و اشکال مختلف پایه‌ی پل.. 22
شکل‏2‑2 عمق آبشستگی درآزمایشاتEttemaوRaudkivi 23
شکل‏2‑3 کانتورسرعت جریان اطراف پایه پل درپژوهشDeyوهمکاران.. 24
شکل‏2‑4 هندسه‌ی موردمطالعه درتحقیقHagerوOliveto. 25
شکل‏2‑5 دامنه‌ی حل درپژوهشValencia. 27
شکل‏2‑6 نتایج پژوهشJester وKallinderis دررینولدزهای مختلف جریان.. 28
شکل‏3‑1 سرعت برحسب زمان یک نقطه خاص درجریان آشفته. 32
شکل‏3‑2 فلوچارت الگوریتمSIMPLE برای حل معادلات جریان.. 36
شکل‏3‑3 پروفیل سرعت درنواحی مختلف لایه مرزی جریان آشفته. 40
شکل‏3‑4 تعریف بردارذره 43
شکل‏3‑5 تابع کرنل برای یک ذره‌ی مرکزی.. 44
شکل‏3‑6 کرنل درجه دوم ومشتق اول آن.. 45
شکل‏3‑7 کرنل درجه دوم ومشتق اول آن.. 46
شکل‏3‑8 کرنل اسپلاین درجه سوم ومشتق اول آن.. 47
شکل‏3‑9 کرنل درجه پنجم ومشتق اول آن.. 47
شکل‏3‑10 تغییرات زمانی انرژی سیستم درطی پدیده شکست سد. 52
شکل‏3‑11 کنترل گام زمانی درپدیده شکست سد [35] 58
شکل‏4‑1 ورژن‌های مختلف کدمتن‌بازSPHysics 61
شکل‏4‑2 مدلسازی جسم شناوردرحضورامواج درSPHysics 62
شکل‏4‑3 فلوچارت عملکرد سابروتین‌هایSPHysicsgen. 63
شکل‏4‑4 فلوچارت عملکرد سابروتین‌هایSPHysics 64
شکل‏4‑5 نمایی ازیک مدل ساخته درOpenFOAMدرمرحله پس‌پردازش…. 65
شکل‏4‑6 نمایی ازکاربانرم‌افزارOpenFOAMدرمحیط لینوکس…. 67
شکل‏4‑7 گام‌های اصلی شبیه‌سازی درOpenFOAM… 67
شکل‏4‑8 ساختار پوشه‌های مدلسازی درنرم‌افزارOpenFOAM… 69
شکل‏5‑1 نمایی ازهندسه وابعاداستفاده شده درمدل.. 72
شکل‏5‑2 نمایش محدوده‌ی ناحیه 1 و 2 برای مش بندی درروش حجم محدود. 72
شکل‏5‑3 شبکه‌بندی اطراف سیلندر در نرم‌افزارGambitدر روش حجم محدود. 74
شکل‏5‑4 اندازه ذرات مختلف اطراف سیلندر برای روشSPH.. 76
شکل‏5‑5 تغییرات ضریب درگ برای شبکه‌هایFV-1تاFV-4. 77
شکل‏5‑6 تغییرات ضریب درگ برای شبکه‌هایSPH-1تاSPH-4. 77
شکل‏5‑7 نمودارضریب درگ برای رینولدز 20. 81
شکل‏5‑8 نمودارضریب درگ برای رینولدز 50. 81
شکل‏5‑9 نمودارضریب درگ برای رینولدز 80. 82
شکل‏5‑10 نمودارضریب درگ برای رینولدز 100. 82
شکل‏5‑11 نمودارضریب درگ برای رینولدز 200. 83
شکل‏5‑12 خطوط جریان اطراف پایه‌ی پل برای رینولدز 20. 85
شکل‏5‑13 خطوط جریان اطراف پایه‌ی پل برای رینولدز 50. 85
شکل‏5‑14 خطوط جریان اطراف پایه‌ی پل برای رینولدز 80. 86
شکل‏5‑15 خطوط جریان اطراف پایه‌ی پل برای رینولدز 100. 86
شکل‏5‑16 خطوط جریان اطراف پایه‌ی پل برای رینولدز 200. 87
شکل‏5‑17 چگونگی تشکیل گردابه‌ها ازشروع تارسیدن به حالت تعادل توسطOpenFOAM… 88
شکل‏5‑18 سرعت افقی جریان برای رینولدز 100. 89
شکل‏5‑19 سرعت قائم جریان برای رینولدز 100. 89
شکل‏5‑20 سرعت افقی جریان برای رینولدز 20. 90
شکل‏5‑21 سرعت قائم جریان برای رینولدز 20. 90
 
 
چکیده
یکی از سازه‌های مهم در مهندسی عمران پل‌ها هستند که به دلیل دارا بودن تأثیر ارتباطی مهم از اهمیت بسزایی برخوردار هستند. پل‌ها به گونه مداوم تحت تاثیر خطر آبشستگی پایه‌های خود هستند و این موضوع یکی از چالش‌های مهم طراحان و مهندسان هیدرولیک در این زمینه می‌باشد.با در نظر داشتن اهمیت موضوع آبشستگی و شناخت آن، این پژوهش با بهره گیری از دو روش عددی به مطالعه این پدیده و اندرکنش آن با پایه‌ی پل می‌پردازد. در واقع در این پژوهش ضمن مدلسازی پدیده و شناخت جریان به مقایسه و مطالعه دو روش عددی هیدرودینامیک ذرات هموار و حجم محدود پرداخته می گردد.
روش هیدرودینامیک ذرات هموار یک روش تماما لاگرانژی بوده که در آن میدان حل به ذرات محدود تبدیل شده و معادلات حل برای همه ذرات نوشته و حل می گردد. برای بهره گیری از این روش، از یک کد متن باز به زبان برنامه‌نویسی فرترن به نام SPHysics بهره گیری گردید و تغییرات مربوطه در آن ایجاد و برنامه اجرا گردید. برای روش حجم محدود نیز از نرم‌افزار OpenFOAM بهره گیری گردید که این نرم افزار بر پایه‌ی زبان برنامه نویسی C++ بنا شده و تحت لینوکس اجرا می گردد. همه‌ی نتایج با بهره گیری از این دو نرم‌افزار استخراج شده و مورد مقایسه قرار گرفته‌اند.
ضریب درگ، الگوی جریان، گردابه‌های تشکیل شده در پایین دست پایه و میدان سرعت اطراف پایه خروجی‌های گرفته شده از دو برنامه مذکور هستند. هر دو روش از دقت مناسبی برای مدلسازی برخودار بوده و تفاوت عمده‌ی آن‌ها به زمان اجرای این دو برنامه باز می گردد. به این شکل که روش حجم محدود دارای زمان اجرای بسیار کمتری بوده اما بایستی به این نکته نیز دقت نمود که روش حجم محدود در لینوکس و روش هیدرودینامیک ذرات هموار در ویندوز اجرا می شوند. در ضمن روش هیدرودینامیک ذرات هموار نوپاتر از روش حجم محدود بوده و نیازمند زمان بیشتری برای تکامل و رقابت با دیگر روش‌های عددی می‌باشد.
 
کلیدواژه‌ها: روش هیدرودینامیک ذرات هموار، روش حجم محدود، پایه‌ی پل، ضریب درگ، الگوی جریان
 

فصل 1-           مقدمه و کلیات

 
 
1-1-       مقدمه
به گونه کلی طراحی، محاسبه و احداث پایه‌های پل، یکی از مهم‌ترین و حساس‌ترین مراحل یک پروژه پل‌سازی هستند، مخصوصا زمانی که این پل در محل عبور یک رودخانه واقع شده باشد. در این زمان طراح بایستی برای انتخاب طول و تعداد دهانه‌ها و عمق حداقل پایه‌ها، اطلاعات هیدرولوژیکی و هیدرولیکی منطقه را در نظر گرفته و موردها لازم را مورد تجزیه و تحلیل قرار دهد. از مهم‌ترین مورد هایی که در این مورد می‌توان تصریح نمود، اطلاعات مربوط به فرسایش بستر رودخانه می‌باشد که در صورت درنظر نگرفتن آن، بایستی شاهد عواقب خطرناکی مانند تهدید پایداری پل و نهایتا خرابی آن بود. پس به جهت یک طراحی مناسب و ایمن، به خصوص در ارتباط با رودخانه‌های سیلابی با بستر قابل فرسایش، بهره گیری از روش‌های کاربردی برای تعیین الگوی جریان و عمق آبشستگی و در نتیجه تعیین وضعیت بهینه از جهت نوع و محل قرارگیری پایه‌ها، توصیه می گردد.
برای تعیین عمق آبشستگی در مجاورت پایه پل نیاز به شناخت کافی این پدیده و الگوی جریان اطراف آن، هست تا با در نظر داشتن آن، روش مناسب برای تخمین عمق فرسایش مشخص گردد. بایستی توجه داشت که عمق نهایی آبشستگی ایجاد شده در مجاورت پایه پل برابر با مجموع اعماق فرسایش ناشی از آبشستگی موضعی، عمومی و تنگ‌شدگی عرض جریان می‌باشد. به گونه معمول سه روش کاربردی برای تعیین و پیش‌بینی الگوی جریان و عمق آبشستگی اتفاق افتاده، مورد بهره گیری محققین قرار می‌گیرد. این روش‌ها عبارت هستند از:

  • مدل‌های فیزیکی
  • بهره گیری از تجهییزات ویژه و مجهز به مقصود رفتارسنجی آبشستگی ایجاد شده در محل پایه
  • مدل‌های ریاضی و کامپیوتری

هر کدام از روش‌های فوق به نحوی در پیش‌بینی الگوی جریان و عمق آبشستگی موثر و مفید می‌باشند. روش‌های اول و دوم روش‌هایی کاملا تجربی بوده و بر مبنای آزمایش و نظاره استوار هستند.
با بهره گیری از روش اول می‌توان رفتار آبشستگی را هم برای پل‌های در دست احداث و هم برای پل‌های ساخته شده مطالعه نمود. روش فوق الذکر به علت نظاره‌ای بودنو دقت قابل قبول نتایج آن، راه حل خوبی جهت مطالعه رفتار آبشستگی و الگوی جریان و در نهایت تعیین عمق فرسایش می‌باشد.
 
روش دوم، روش دقیقی می باشد که بیشتر برای پل‌های ساخته شده مناسب می‌باشد تا بدین طریق معضلات موجود شناسایی شده و طرح موردنظر در برابر تهدیدات آبشستگی، محافظت و تقویت گردد. عمده‌ترین مشکل که در این ارتباط هست، این می باشد که تجهیزات دارای قابلیت‌های رفتارسنجی آبشستگی مورد بهره گیری در این روش، بسیار گران و پرهزینه می‌باشند.
روش سوم، آخرین روش برای تعیین عمق آبشستگی می‌باشد. این روش اساسا مبتنی بر تئوری‌ها و روابط ریاضی بوده به طوری که در آغاز با استفاد از روابط مربوط به فرسایش و تئوری‌های ارائه شده در ارتباط با هیدرولیک پل‌ها و آبشستگی، یک مدل ریاضی تهیه می گردد. پس از این مرحله و با در نظر داشتن مدل ریاضی تهیه شده، یک مدل کامپیوتری که قابل انطباق با شرایط و حالات مختلف این پدیده باشد، ساخته می گردد[1].

1-2-      توصیف جریان عبوری از روی سیلندر

مطالعه جریان عبوری از روی سیلندر، یک یاز موضوعات جالب توجه و کاربردی در دینامیک سیالات می باشد و مانند مسایل بنیادین در این عرصه به شمار می رود. این مسئله هیچگونه محدودیتی در هندسه و شرایط مرزی اعمال شده نداشته و ساختار و الگوی جریان، به شدت تحت تاثیر عدد رینولدز بوده و تنوع تغییرات آن در رژیم‌های مختلف جریان زیاد می‌باشد. به طوری که در عدد رینولدز کوچکتر از 4 به دلیل شرط عدم لغزش روی سیلندر، گردابه‌هایی به وجودمی‌آیند که با در نظر داشتن فرض استوکس، این گردابه‌ها در جریان پخش شده و قدرت نفوذ و حرکت در جریان را ندارند. در عدد رینولدز بین 4 تا 40، دو گردابه‌ی متقارن ایستا در پشت سیلندر به وجودمی‌آید که با افزایش عدد رینولدز اندازه‌ی آن‌ها نیز بزرگتر می گردد. رژیم جریان در این محدود از اعداد رینولدز کاملا آرام می‌باشد (شکل ‏1‑1).
با ازدیاد عدد رینولدز به مقادیری بزرگتر از 40، گردابه‌های ایجاد شده در پشت سیلندر ناپایدار شده و شروع به نوسان می‌کنند. در این رژیم از جریان ناحیه جریان برگشتی[1] پشت سیلندر، شامل دو ردیف از گردابه‌ها می‌باشد که به صورت متناوب، یکی در بالا و دیگری در پایین سیلندر به وجودمی‌آیند. درشکل ‏1‑2تصویری شماتیک از این پدیده، به هنگام عبور جریان از سیلندری مدور آورده شده می باشد. به الگوی پیدایش دو ردیف از گردابه‌ها در ناحیه‌ی پشت سیلندر، پدیده‌ی فون کارمن[2] اطلاق می گردد.
4 تا 40
شکل ‏1‑1 جریان عبوری از روی سیلندر برای عدد رینولدز کمتر از 4 و عدد رینولدز بین
شکل ‏1‑2 جریان عبوری از روی سیلندر برای عدد رینولدز بین 80 تا 200
این پدیده اولین بار توسط تئودور فون کارمن دانشمند مجاری‌الاصل و در سال 1912 کشف گردید. در اظهار اهمیت این موضوع همین بس که به افتخار او به مقصود نگهداشت یادش، بر روی تمبرهای پستی آن کشور تصویری از او قرار داده گردید که خطوط گردابه‌ای جریان در زمینه آن عکس، دیده می گردد.
فون کارمن با مطالعه این پدیده دریافت که گردابه‌هایی که در امتداد دو ردیف تشکیل می شوند، تنها در صورتی پایدارند که اولا جهت چرخش گردابه‌های یک ردیف در جهت خلاف گردابه‌های ردیف دیگر باشند و ثانیا، فاصله عمودی گردابه‌ها به فاصله افقی بین آن‌ها، برابر 0.283 باشد (شکل ‏1‑3). خاطر نشان می گردد گردابه‌های ایجاد گردید با سرعتی کمتر از سرعت جریان آزاد در پشت سیلندر حرکت می‌کنند.
شکل ‏1‑3 خطوط گردابه‌ای فون کارمن
در واقع، هنگامی که عدد رینولدز جریان نیوتنی از حد مشخصی (Re>40) فراتر رود، در اثر کوچکترین شرایط ناپایداری[3]، نقطه جدایش جریان حول جسم دستخوش تغییر شده و همین امر سبب می گردد تا گردابه‌های متقارن که به شکل دنباله در پشت سیلندر به وجودآمده‌اند، در آستانه نوسان قرار گیرند (رینولدز بحرانی[4]). در نتیجه‌ی این ناپایداری، الگوی متقارن ناحیه جریان برگشتی از بین می‌رود. در این هنگام توزیع فشار حول جسم دستخوش تغییر شده و سبب می گردد که گردابه‌ها، به صورت متناوب یکی در بالا و دیگری در پایین محور تقارن جسم به وجودآیند. این پدیده، نیروهای متناوب عمودی را بر جسم اعمال می کند که سبب ارتعاش جسم تحت فرکانس خاصی می گردد. حال اگر فرکانس نوسان با فرکانس طبیعی جسم برابر گردد، تشدید یا رزنانس[5] در جسم به وجودمی‌آید.
از مثال‌ها معروف در این زمینه می‌توان به روش‌های محافظت از برج‌های خنک‌کن نیروگاه‌ها در برابر جریان باد تصریح نمود. در این سازه‌ها برای جلوگیری از تشکیل گردابه‌های تناوبی و پیشگیری از وقوع رزنانس، پره‌هایی را به صورت مارپیچ حول آن‌ها قرار می‌دهند (). از دیگر موردها وقوع این پدیده، می‌توان به ارتعاش کابل‌های انتقال قدرت، برج‌هایی با ارتفاع بلند، پایه پل‌های مستغرق در آب و جریان در مبدل‌های حرارتی تصریح نمود[2].
مسیر عبور گردابه‌های منظم در پشت جسم، سبب می گردد تا اندازه‌گیری سرعت در ناحیه ویک جریان به گونه غالب، نوسانی باشد. برای تعیین فرکانس جریان، از یک پارامتر بی‌بعد تحت عنوان عدد استروهال بهره گیری می گردد که به صورت ارتباط‌ی ‏1‑1 اظهار می گردد.
شکل ‏1‑4 بهره گیری از پره‌های مارپیجی به مقصود جلوگیری از ایجاد نوسان در گردابه‌ها در اثر عبور جریان هوا از روی میله استوانه‌ای

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی عمران – سازه‌های هیدرولیکی-ارزیابی عملکرد مدل‌های هوشمند نروفازی و شبکه‌های عصبی مصنوعی در پیش‌بینی و شبیه‌سازی پارامتر کیفیTDS رودخانه‌ها

‏1‑1

که در این ارتباط،  قطر سیلندر،  سرعت جریان آزاد و  فرکانس نوسان جسم می باشد. شایان ذکر می باشد که تا عدد رینولدز 190، گردابه‌های ایجاد شده در ناحیه پایین‌دست جریان، رفتاری منظم از خود نشان می‌دهند و در امتداد دو ردیف، با سرعتی کمتر از سرعت جریان حرکت می‌کنند. از عدد رینولدز تقریبی 190 تا حدود 250، ناپایداری‌های گردابه‌ی سه‌بعدی نظاره خواهد گردید. این رژیم از جریان که رژیم جریان گذاری ناحیه ویک[6] نیز نامیده می گردد، شامل دو ناحیه پیوسته در نمودار رینولدز نسبت به عدد استروهال می‌باشد. در شکل ‏1‑5 نمودار تجربی عدد استروهال نسبت به عدد رینولدز برای جریان گذرنده از روی سیلندر دایروی آورده شده می باشد. در این نمودار، هر نماد نشان دهنده یک نوع خاصی از رژیم جریان نوسانی می‌باشد که با علامت‌های I، II و III نشان داده شده می باشد[3].
مطابق شکل ‏1‑5 اولین ناپیوستگی که در آن نوسان گردابه‌های تشکیل شده با طول موجی به اندازه سه تا چهار برابر قطر سیلندر ایجاد می گردد، به صورت تقریبی در عدد رینولدز 190 رخ می‌دهد. دومین ناپیوستگی نیز در در رینولدز بین 230 تا 250 اتفاق می‌افتد که در مقیاسی ضعیف‌تر و با فرکانسی بالاتر از حالت اول ایجاد می گردد. رژیم III نیز جریان گذرا بوده که در آغاز و انتهای این رژیم ناپیوستگی در نمودار نظاره شده و حرکت گردابه‌ها در ناحیه جریان برگشتی به صورت سه‌بعدی خواهد بود.
شکل ‏1‑5 نمودار استروهال به عدد رینولدز
به گونه تجربی، وابستگی عدد استروهال که یک عدد بی‌بعد برای تعریف فرکانس نوسانات جریان می‌باشد، به عدد رینولدز در ناحیه جریان آرام (Re<190) که با نماد I در شکل ‏1‑5 نشان داده شده می باشد، به صورت ارتباط‌ی ‏1‑2 می‌باشد.

‏1‑2

و برای مقادیر بالاتر عدد رینولدز مثلا 400 و یا بالاتر، این ارتباط به صورت ‏1‑3 تعریف می گردد.

‏1‑3

با برازش نمودار از داده‌های تجربی، مقدار عدد استروهال برای جریان سیال در اعداد رینولدز بالا برابر 0.212 حاصل می گردد.

1-3-     الگوی جریان و مکانیزم آبشستگی اطراف پایه‌ی پل

الگوی جریان در اطراف پایه پل بسیار پیچیده بوده و این پیچیدگی با تشکیل حفره آبشستگی و عمیق‌تر شدن آن، بیشتر می گردد. مطالعه تحقیقات انجام شده نشان می‌دهد که در اطراف پایه‌ی پل، سیستم‌های گردابی پیچیده‌ای شکل می‌گیرد که عملکردشان باعث آبشستگی می گردد. اصولا دو عامل اساسی باعث ایجاد سیستم گردابی پیچیده اطراف پایه پل می گردد که این دو عامل عبارتند از: برخورد جریان به پایه و دیگری جدایی جریان از پایه. تمامی الگوهای جریان که در اطراف پایه ایجاد می شوند به نحوی با یکی از دو عامل به گونه مستقیم یا غیرمستقیم مرتبط هستند.
عامل برخورد آب به پایه، طبق یک فرایند پیچیده تبدیل به گرداب نعل اسبی[7] می گردد و در اثر جدایی آب از پایه، گرداب برخاستگی[8] تشکیل می گردد (شکل ‏1‑6 و شکل ‏1‑7).
شکل ‏1‑6 الگوی جریان و حفره آبشستگی اطراف پایه پل
هنگام برخورد آب به دماغه پایه پل، به دلیل توزیع سرعت در عمق رودخانه، آب به سمت بستر منحرف شده و سرعت جریان پس از برخورد به پایه تبدیل به فشار روی پایه می گردد. از آنجا که سرعت از سطح به طرف کف کم می گردد، فشار دینامیکی هم روی پایه از بالا به پایین کم می گردد و بدین ترتیب گرادیان فشار ایجاد شده باعث ایجاد جریانی به طرف کف بستر می گردد. سرعت این جریان به سمت پایین یکنواخت نمی‌باشد، زیرا گرادیان فشار نیز در عمق عوض می گردد و سرعت جریان رو به پایین از سطح آب به طرف کف زیاد می گردد. این جریان در فاصله بسیار کمی از دماغه پایه، یعنی بین 0.02 تا 0.05 قطر پایه در بالادست آن تشکیل می گردد. مقدار حداکثر این جریان برابر 0.8 سرعت متوسط جریان اصلی می باشد و در عمقی به اندازه قطر پایه درون حفره آبشستگی ایجاد می گردد. جریان رو به پایین پس از برخورد به بستر به جهات مختلف پراکنده شده و مقداری از آن صرف حفر زمین می گردد. مقداری از این جریان که رو به سمت بالادست بازگشت می کند، در برخورد با جریان عمومی مجبور به حرکت در جهت جریان شده و بعد از برخورد به پایه، این چرخش جریان و بازگشت مجدد آن مقدمه تشکیل گرداب نعل اسبی می‌باشد. در جریان آشفته و در صورتی که جریان عمومی قوی‌تر از جریان آب پس از برخورد به بستر باشد این گرداب مجالی برای بقا نداشته و بارها و بارها تولید و مضمحل می گردد.
چرخش جریان در دور پایه نیز باعث افزایش سرعت موضعی و تمرکز تنش در دو طرف پایه می گردد و در نتیجه دو شیار در دو طرف توسعه می‌یابد که این دو شیار خود به حمل مصالح کنده شده در جلو پایه و عمیق‌تر شدن حفره آبشستگی کمک می کند. چرخش آب در داخل حفره جلو پایه به دو طرف پایه نیز کشیده می گردد و در مجموع گردابی را ایجاد می‌نماید که در پلان به نعل اسب شبیه می باشد و از آن رو به آن گرداب نعل اسبی می‌گویند.
شکل ‏1‑7 الگوی جریان و حفره آبشستگی اطراف یک پایه پل استوانه‌ای شکل
سرعت‌های این گردابه و ایجاد تنش برشی در سطح تماس آن با بستر و جداره حفره، هم باعث تسریع در حفر حفره می شوند و هم ذراتی که توسط آن از بستر جدا شده‌اند در اختیار جریان عمومی رودخانه قرار داده می شوند تا به سمت پایین‌دست حمل شوند. به این ترتیب تا آنجا که انرژی جنبشی جریان رو به پایین و انرژی درونی گرداب نعل اسبی قادر به جدا کردن رسوبات از کف حفره باشد، حفره در این ناحیه یعنی درست در نوک دماغه پایه عمیق‌تر می گردد و سپس با عمیق‌تر شدن حفره و ضعیف‌تر شدن گرداب متوقف می گردد. همزمان با این پدیده در نقاط دیگر پیرامون پایه نیز، جریان به پایه برخورد می کند.
برخورد آب با اطراف پایه غیر از دماغه آن، دو مولفه بردار سرعت یکی شعاعی (عمود بر سطح پایه) و یکی مماسی (مماس بر سطح پایه) ایجاد می کند. مولفه شعاعی سرعت مانند آن چیز که در مورد نوک دماغه پایه به آن تصریح گردید باعث تشکیل جریان رو به پایین و رو به بالا می گردد. البته طبیعی می باشد که با دور شدن محل برخورد آب از دماغه پایه، تصویر بردار سرعت در جهت شعاعی کوچک و کوچکتر شده و تصویر آن در جهت مماسی بزرگتر می گردد. در این حالت جریان رو به پایین حاصل شده در برخورد با جریان اصلی بالادست به طرفین منحرف می گردد. مولفه مماسی بردار سرعت، گرداب نعل اسبی را حرکت می‌دهد و در کناره‌های پایه به برداشت مصالح کمک می کند. اصطکاک گرداب نعل اسبی با پایه پل و بستر به تضعیف آن در طول مسیر خود کمک می کند. حفر حفره آبشستگی توسط گرداب نعل اسبی آنقدر ادامه می‌یابد تا حجم آب داخل حفره زیاد شده و انرژی گرداب را مستهلک نماید.
[1] wake
[2] Von Karman
[3] Instability
[4] Critical Reynolds
[5] Resonance
[6] Wake Transition Regime
[7] Horseshoe Vortex
[8] Wake Vortex
تعداد صفحه : 102
قیمت : 14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

دسته‌ها: عمران