شبیه‌سازی عددی سه بعدی جریان ناشی از شکست ناگهانی سد بر روی بستر متخلخل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی گروه مهندسی عمران پژوهشکده مهندسی آب و آبهای معدنی دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه محقق اردبیلی

2 دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی عمران- سازه‌های هیدرولیکی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

پدیده شکست سد به دلیل خسارت جبران ناپذیر اقتصادی، امنیتی، تلفات انسانی و زیست محیطی بسیار حائز اهمیت می‌­باشد. در این مطالعه، جریان سه بعدی ناشی از پدیده شکست سد بر روی بستر متخلخل مدل‌سازی عددی شده و تأثیر نفوذپذیری بستر متخلخل، عمق بستر متخلخل و عمق آب در بستر متخلخل در پایین ­دست، بر روی حرکت موج مثبت بررسی شده ­است. در این تحقیق، ابتدا سه مدل کلاسیک از شکست سد بر روی بستر صلب و متخلخل ساخته شده و نتایج با داده‌های آزمایشگاهی موجود مقایسه شده است. در ادامه، صحت‌­سنجی نتایج به صورت مقایسه پروفیل‌های سطح آب و لبه موج سیلاب پیش­‌بینی شده با مدل شکست سد روی بستر صلب و متخلخل انجام شده است. هدف اصلی، بررسی تفاوت­‌ها و تشابه­‌های پدیده شکست سد در بسترهای صلب و متخلخل می­‌باشد. نتایج حاصل نشان داد، به دلیل تاثیر موج دینامیکی در لحظات اولیه شکست سد، یک پیک موضعی در آب‌نگاشت سیلاب رخ می‌­دهد. وجود بستر متخلخل باعث کاهش شتاب حرکت موج سیلاب نسبت به حالت جریان روی بستر صلب شده و با افزایش میزان نفوذپذیری بستر، سرعت و در نتیجه میزان پیش‌روی موج سیلاب، کاهش می­‌یابد. با افزایش عمق بستر متخلخل، میزان پیش‌روی لبه موج، دبی جریان سیلابی و ارتفاع سطح آزاد جریان کاهش یافته می­‌یابد. با پیش‌روی جریان در طول کانال مقادیر دبی پیک ثبت شده در ایستگاه‌ها کاهش یافته و در مدل‌های بستر خشک کاهش دبی پیک در راستای کانال بیشتر است. بیش‌ترین مقادیر  بیشینه دبی در انتهای کانال با بستر متخلخل، در حالت بستر متخلخل اشباع رخ داده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of Three-Dimensional Flow of Sudden Dam-Break over the Porous Bed

نویسندگان [English]

  • Akbar Safarzadeh 1
  • Peyman Mohsen zadeh 2
  • salim abbasi 2
1 Department of Civil engineering,Faculty of Engineering, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
2 M.Sc., Graduated of Civil-Hydraulic Structures Eng., Faculty of Eng., Univ. of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
چکیده [English]

Dam break is a very important problem due to its effects on the economy, security, human casualties and environmental consequences. In this study, 3D flow due to dam break over the porous substrate is numerically simulated and the effect of porosity, permeability and thickness of the porous bed and the water depth in the porous substrate are investigated. Classic models of dam break over a rigid bed and water infiltration through porous media were studied and results of the numerical simulations are compared with existing laboratory data. Validation of the results is performed by comparing the water surface profiles and wave front position with dam break on the rigid and porous bed. Results showed that, due to the effect of dynamic wave in the initial stage of dam break, a local peak occurs in the flood hydrograph. The presence of porous bed reduces the acceleration of the flood wave relative to the flow over the solid bed and it decreases with the increase of the permeability of the bed. By increasing the permeability of the bed, the slope of the ascending limb of the flood hydrograph and the peak discharge drops. Furthermore, if the depth and permeability of the bed are such that the intrusive flow reaches the rigid substrate under the porous bed, saturation of the porous bed, results in a sharp increase in the slope of the flood hydrograph. The maximum values of the peak discharge at the end of the channel with porous bed occurred in saturated porous bed conditions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dams Break
  • 3D modeling
  • Porous Bed
  • Permeability
  • Flood wave

مراجع

[1] D. Fread, Flow Routing in Handbook of Hydrology, ed. by DR Maidment. 1993, McGraw-Hill Inc., New York.
[2] M. Morris, CADAM: Concerted Action on Dambreak Modeling – Final Report. HR Wallingford, 2000. Rep. SR 571.
[3] H. Chanson, Environmental Hydraulics for Open Channel Flows. 2004: Elsevier.
[4] A. Ritter, Die Fortpflanzung der Wasserwellen. Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure, 1892. 36(33): p. 947-954.
[5] B. Ghimire, Hydraulic Analysis of Free-Surface Flows into Highly Permeable Porous Media and its Applications. 2009.
[6] R.F. Dressler, Hydraulic Resistance Effect Upon the Dam-Break Functions. Vol. 49. 1952: National Bureau of Standards Washington, DC.
[7] G. Lauber, and W.H. Hager, Experiments to Dambreak Wave: Horizontal Channel. Journal of Hydraulic research, 1998. 36(3): p. 291-307.
[8] L.W. Tan, and V.H. Chu, Lagrangian Block Hydrodynamics of Macro Resistance in a River-Flow Model. River Flow 2010, 2010: p. 419-428.
[9] L. Tan, and V.H. Chu, Lauber and Hager's Dam-Break Wave Data for Numerical Model Validation. Journal of hydraulic research, 2009. 47(4): p. 524-528.
[10] S. Mambretti, E. Larcan, and D. De Wrachien, 1D Modelling of Dam-Break Surges with Floating Debris. Biosystems engineering, 2008. 100(2): p. 297-308.
[11] M. Pilotti, M. Tomirotti, G. Valerio, and B. Bacchi, Simplified Method for the Characterization of the Hydrograph Following a Sudden Partial Dam Break. Journal of Hydraulic Engineering, 2010. 136(10): p. 693-704.
[12] T.J., Chang, H.M. Kao, K.H. Chang, and M.H. Hsu, Numerical Simulation of Shallow-Water Dam Break Flows in Open Channels Using Smoothed Particle Hydrodynamics. Journal of Hydrology, 2011. 408(1-2): p. 78-90.
[13] T. Tingsanchali, and W. Rattanapittikon, 2-D Modelling of Dambreak Wave Propagation on Initially Dry Bed. Science & Technology Asia, 1999. p. 28-37.
 [14] J. Yan, Z.x. Cao, H.h. Liu, and L. Chen, Experimental Study of Landslide Dam-Break Flood Over Erodible Bed in Open Channels. Journal of Hydrodynamics, 2009. 21(1): p. 124-130.
[15] O. Castro-Orgaz, and H. Chanson, Ritter’s Dry-Bed Dam-Break Flows: Positive and Negative Wave Dynamics. Environmental Fluid Mechanics, 2017. 17(4): p. 665-694.
[16] A. Jozdani, and A.R. Kabiri-Samani, Application of Image Processing Method to Analysis of Flood Behavior Due to Dam Break. 9th Iranian Hydraulic Conference, Univ. of Tarbiat Moddares, 2011.
[17] A. Safarzadeh, Three Dimensional Hydrodynamics of Sudden Dam Break in Curved Channels. Journal of Modares Civil Engineering, 2017. 17(3): p. 77-86.
[18] P.C. Carman, Fluid Flow through Granular Beds. Trans. Inst. Chem. Eng., 1937. 15: p. 150-166.
[19]  P. Forchheimer, Wasserbewegung Durch Boden. Z. Ver. Deutsch, Ing., 1901. 45: p. 1782-1788.
[20] S. Ergun, Fluid Flow through Packed Columns. Chem. Eng. Prog., 1952. 48: p. 89-94.
[21] A. Parsaie, S. Dehdar-Behbahani, and A.H. Haghiabi, Numerical Modeling of Cavitation on Spillway’s Flip Bucket. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 2016. 10(4): p. 438-444.
[22] S. Dehdar-Behbahani, and A. Parsaie, Numerical Modeling of Flow Pattern in Dam Spillway’s Guide Wall. Case study: Balaroud dam, Iran. Alexandria Engineering Journal, 2016. 55(1): p. 467-473.
[23] A. Parsaie, A.H. Haghiabi, and A. Moradinejad, CFD Modeling of Flow Pattern in Spillway’s Approach Channel. Sustainable Water Resources Management, 2015. 1(3): p. 245-251.
[24] S. Najafyan, H. Younesi, A. Parsai, and P.H. Torabi, Physical and Numerical Modeling of Flow in Heterogeneous Roughness Non-Prismatic Compound Open Channel. Irrigation and Drainage Structures Engineering Research, 2016. 17(66): p. 87-104.
[25] S. Najafian, H. Younesi, A. Parsaei, and P.H. Torabi, Physical and Numerical Modeling of Flow Properties in Prismatic Compound Open Channel With Heterogeneous Roughness. Irrigation and Drainage Structures Engineering Research, 2017. 18(68): p. 1-16.
[26] A. Safarzadeh, and S.H. Mohajeri, Hydrodynamics of Rectangular Broad-Crested Porous Weirs. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2018. 144(10): p. 04018028. 
[27] M. Fathi-moghaddam, M.T. Sadrabadi, and M. Rahmanshahi, Numerical Simulation of the Hydraulic Performance of Triangular and Trapezoidal Gabion Weirs in Free Flow Condition. Flow Measurement and Instrumentation, 2018. 62: p. 93-104.
[28] A. Parsaie, A. Moradinejad, and A.H. Haghiabi, Numerical Modeling of Flow Pattern in Spillway Approach Channel. Jordan Journal of Civil Engineering, 2018. 12(1).
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 53، شماره 6
شهریور 1400
صفحه 2231-2248

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار