3049-101035

نشریه مهندسی دریــا سال دهم/ شماره 20/ پاییز و زمستان 1393(69-78)
بررسی عملکرد طوقه هاي محافظ در کاهش عمق آبشستگی حول پایه استوانه اي قائم ثابت
رضا یزدانی1 ، علیرضا مجتهدي2 ، محمدعلی لطف اللهی یقین3

کارشناس ارشد مهندسی عمران- سازه هاي دریایی ،دانشگاه تبریز؛ reza.yazdani288@yahoo.com
استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز؛ mojtahedi@tabrizu.ac.ir 3 استاد دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز؛ lotfollahi@tabrizu.ac.ir
اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

امروزه توربین هاي بادي با پایه ثابت دریایی در صنعت تولید برق به وسیله انرژي هاي تجدیدپذیر مورد توجه قرار گرفته اند .یکی از مسائل مهم در پایداري این سازه ها، بررسی مسئله آبشستگی ناشی از جریانهاي دریایی حول پایه می باشد. از سازه هاي محافظ آبشستگی میتوان به طوقه ها اشاره کرد .در این تحقیق براي اولین بار ،الگوي توزیع تنش برشی بستر حول پایه براي ارتفاع هاي مختلف طوقه نسبت به بستر، از طریق نرم افزار FLUENT به دست آمده، از طرفی دیگر آزمایشهایی بر روي مدل پایه بدون محافظ و پایه هاي طوقه دار در آزمایشگاه هیدرولیک انجام شده و نمودارهاي پیشرفت زمانی آبشستگی، مقدار عمق تعادلی آبشستگی و الگوي حفره آبشستگی اطراف پایه براي حالات مختلف طوقه به دست آمده است. در آخر نتایج تحلیل عددي و نتایج آزمایشگاهی با هم مقایسه شده، ضمن نشان دادن همسو بودن رابطه بین تنش برشی بستر و عمق آبشستگی تعادلی، مشخص گردید که طوقه هاي نزدیک بستر عملکرد مطلوبتري در محافظت از پایه دارند. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 17/11/1392 تاریخ پذیرش مقاله: 23/10/1393 تاریخ انتشار مقاله: 20/12/1393

کلمات کلیدي:
آبشستگی تنش برشی بستر روش حجم محدود طوقه مدل فیزیکی

Investigation of the Protective Collars Effect on the Scour Depth around
Fixed Offshore Vertical Pier

Reza Yazdani1, Ali Reza Mojtahedi2 , Mohamad Ali Lotfollahi Yaghin3

Master of offshore engineering, University of Tabriz
Assistant professor of civil engineering, University of Tabriz 3 Professor of civil engineering, University of Tabriz
Article History:
Received: 6 Feb. 2014
Accepted: 13 Jan. 2015
Available online: 11 Mar. 2015 Nowadays, the power industry with fixed offshore wind turbines through the renewable energies is one of the progressing industries. The installation of scour protection structures is done against the scouring process. The collars are one of the protective structures. In this study, distribution of the bed shear stress around the pier
01051930

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Keywords:
Bed shear stress
Collar
Finite volume method
Physical model
Scour is investigated via the FLUENT software. The results have been observed based on the relative heights of the collar to the substrate. On the other hand, in a hydraulics laboratory, some experiments have been done on a physical model with and without the protective structures. The charts of the scour depths, the equilibrium scour depths and the patterns of the scour hole around the pier have been obtained for different test scenarios. Finally, comparing of results of the numerical analysis and experimental results showed that there was direct relationship between bed shear stress and the equilibrium scour depths as well as the collars with less height from substrate had proper effect on protection of pier.

1 – مقدمه
سونامی11مارس ژاپن بسیاري از کشورهاي دنیا را بـرآن داشـت تـابرروي اسـتفاده بهینـه از انـرژي هـاي تجدیدپـذیر خورشـید و بـادسرمایه گذاري کنند. از جمله تکنولوژي هاي مطرح براي تولید بـرق،تکنولوژي استفاده از انواع توربین هاي بادي دریـ ایی مـ ی باشـد . نـوعپرکاربرد این توربینها که بـرا ي شـرا یط خلـ یج فـارس نیـ ز مناسـبهستند، توربین هاي با پایه ثابت دریایی می باشند. با فاصله گـرفتناز ساحل، بـه دل یـ ل امکـان اسـتفاده از فضـاي بیشـتر بـرا ي نصـبتوربین هاي بادي و نیز شرایط بهتر وزش باد (سرعت و تـداوم وزشباد) ، امکان ایجاد مزارع توربین هاي بادي میسر می شود. هـر مزرعـهتوربین بادي می تواند شامل صدها تـورب ین باشـد. ضـمنا دور بـودنتوربین ها از ساحل مانع ایجاد منـاظر نـامطلوب در سـواحل خواهـدشد .
یکی از مسائلی که در پایداري توربین بادي با پایه ثابت دریایی باید بــه آن توجــه داشــت، بررســی مســئله آبشســتگ ی حــول پایــه می باشد.آبشسـتگ ی در حقیقـت جابجـا یی ذرات توسـط جر یـ ان، از محل استقرار اولیه آنها به مکان دیگري است.وقتییک پایـ ه تـورب ین در دریا و در مسیر جریان آب نصب می شود، بلافاصله الگوي جریان در اطراف پایه تغییر می کند،یعنی سرعت موضعی جریان و آشفتگی جریان و در نتیجه نرخ حرکت رسوب و فرسایش به صورت موضعی در اطراف پایه افزایشیافته و آبشستگی موضعی به وجود می آیـ د. در حقیقت در بررسی مسئله آبشستگی با یک مسئله انـدرکنش سـازه،جریان و رسوب مواجه هستیم. بدین شکل کـه وجـود سـازه باعـثتغییر الگوي جریان اطراف سـازه شـده وبـه تبـع آن تغییـ ر الگـو ي جریان باعث افزایش نرخ انتقال رسوب حول سازه مـ ی گـردد و ایـ ن افزایش نرخ انتقال رسوب، به عنوان تهدیـ دي بـرا ي پایـ داري سـازهتلقی می شود. عمق آبشستگی به عنوان
پارامتري مهم براي تعیین میزان آبشستگی به وجـود آمـده اطـرافپایه بیان می شود[1]. اهمیت تعیین عمـق آبشسـتگی از آن جهـتاست که بیانگر میزان پتانسیل تخریب جریان در اطراف پـا یهتوربین می باشد. روش هاي مختلفی براي حفاظت از پایه در برابر آبشستگی وجود دارد که از جمله این روش ها می تـوان بـه نصـب طوقـه هـا ي محافظ حول پایه اشاره کرد.
طوقه یک صفحه نازك تخت اسـت کـه در ترازهـاي مختلـف و بـهصورت عمود بر پایه نصبمی شود. هدف از قرار دادن طوقه در اطراف پایه حفاظـت از بسـتر در برابـر آبشسـتگی جریـ ان رو بـه پـایین و فعالیت گردابه ها است.طوقه به صورت یک سپر محافظ براي بسـتر،در مقابل جریان رو به پایین و گردابه هاي نعل اسبی عمـل کـرده واثر فرسایشی این عوامل را تا حد زیادي خنثی مـ ی کنـد . در ناحیـ ه پایین طوقه، قدرت جریان رو به پایین و درنتیجه گرداب نعل اسبی کاهش می یابد[2].
درگاهی، کومار و همکاران، زراتی و همکاران به بررسی آزمایشگاهیپدیده آبشستگی حول پایه پل هاي استوانه اي شـکل پرداختنـد. بـهطور خلاصه نتیجه به دست آمده از کار این محققین نشان می دهـد که افزایش قطر طوقه (قطر بهی نـه بـرا ي طوقـه، 3برابـر قطـر پایـ ه می باشد) و همچنین کاهش فاصله طوقه از بستر باعث کاهش عمق آبشستگی جلوي پایه می شود [5,4,3].
در مورد کارهاي انجـام شـده در بررسـی پدیـ ده آبشسـتگ ی حـولپایه هاي استوانه اي شکل دریایی می توان به کارهاي سامر و فردسـو،سـامر وهمک اران، هانســن و همک ارانو ز ینــک و همک اران اشــاره کرد[9,8,7,6]. سومر و فردسو طی چند دهه اخیر تحقیقات دنبالـهدار ارزشمندي در ارتباط با مباحث هیدرودینامیک و انتقال رسـوبحول سازه هاي استوانه اي شکل انجام داده انـد کـه ایـ ن نتـا یج در غالب کتابهاي ارزشمندي نظیر ارائه شده اند[ 12,11,10].
در این تحقیق از یک طرف نقش طوقه هاي محافظ در کاهش تنش برشی بستر، به وسیله تحلیل عددي انجام گرفته توسـط نـرم افـزارFLUENT بررسی شده و از طـرف د یگـر نقـش ایـ ن طوقـه هـا درکاهش عمق آبشستگی اطراف پایه به وسـ یله انجـام آزمـایش هـا ي آبشستگی، مورد بررسی قرار خواهد گرفت. ملاحظه می شود کـه بـاکم شدن فاصله طوقه از بستر، تنش برشی بستر و عمق آبشسـتگ ی جلوي پایه کاهش می یابند. سپس با مقایسه بین عمق آبشسـتگ ی و تنش برشی بستر، هم سو بودن تغییرات این دو پـارامتر نشـان دادهخواهد شد.

بررسی عددي تاثیر طوقه بر نحوه توزیـع تـنش برشـیحول پایه
2-1- تنظیم پارامترهاي مدل به روش حجم محدود
تحلیل جریان در FLUENT بر پایه روش حجم محـدود کـه یـکروش کارآم د در ح ل مس ائل CFD میباش د، انج ام م ی ش ود.
FLUENT با حل معادلات نـاویر – اسـتوکس کـه شـامل معادلـهپیوستگی و ممنتم می باشد به تحلیل جریان حول پایه می پردازد.
در تحقیق حاضر، نتایج تحلیل عـددي بـا نتـایج کـار آزمایشـگاهیهانسن و همکاران[8] مقایسه خواهد شد. آن ها آزمایش هاي خود را در فلوم آبی به طول 22 متر، عرض 77 سانتی متر و ارتفاع یک متـرانجام دادند اما براي کم کردن تعداد مش ها و در نتیجـه زمـان لازمبراي انجام تحلیل، کانالی به طول 5/1 متر، عرض 5/38 سـانتی متـرو ارتفاع 55 سانتی متر در نظر گرفته شده اسـت. ارتفـاع آب داخـلکان ال 40 س انتیمت ر در نظ ر گرفت ه ش ده و پای ه اي ب ه قط ر 5 سانتی متر در وسط کانال مدل شده اسـت. شـبکه بنـدي ایـن مـدلتوسط نرم افزار پیش پردازنده GAMBIT صورت پذیرفتـه و بـراياین منظور از شبکه هـاي منشـوري اسـتفاده شـده اسـت. بـه جهـتتحلیل دقیق الگوي جریان، مطابق شکل 1، مش ها در سه موقعیـتاطراف پایه، سطح مشترك آب و هوا و همچنین نزدیک بستر، ریزتر انتخاب شده اند. لازم به توضیح است که مدلسـازي عـددي در ایـنتحقیق به صورت در نظر گـرفتن دو فـاز آب و هـوا بـوده و نتیجـهگیریهاي لازم بـا اسـتفاده از خروجیهـاي تـنش برشـی بـر مبنـايپارامترهاي هیدرودینامیکی می باشند .بنابراین مشـاهدات مسـتقیممرتبط با بحث بستر متحـرك و فراینـد آبشسـتگی (نظیـر حرکـتآغازین ذرات) بر مبناي کارهاي آزمایشگاهی انجام گرفته است .
مسئله در کانالی با تعداد مش هـاي 88000، 108000، 110000 و 127000 مورد تحلیل قرار گرفت و مشخص شـد کـه پـس از ریـزکردن مش ها از مقدار 110000 به بعد، مقدار ماکزیمم تنش برشی روي بستر، تغییر قابل توجهی نمی کند.

(الف)

(
ب
)

(

ب

)



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

پاسخ دهید