0-127051

نشريه مهندسي دريــا سال نهم، شماره 17، بهار و تابستان 92، (51-62)

مدلسازي عددي اندركنش موج با ديوار متخلخل ساحلي در فضاي دوبعدي در قائم

نيكتا ايرواني1* ، مسعود منتظري نمين2

1دانشجوي كارشناسي ارشد سازههاي دريايي، گروه سازه هاي دريايي ،دانشكده مهندسي عمران، پرديس دانشكده هاي فني ،دانشگاه تهران؛
nikta.iravani@ut.ac.ir
2 استاديار، گروه سازه هاي دريايي ،دانشكده مهندسي عمران، پرديس دانشكدههاي فني ،دانشگاه تهران؛ mnamin@ut.ac.ir

7467777459

اطلاعات مقاله

تاريخچه مقاله:
تاريخ دريافت مقاله: 01/21/1391 تاريخ پذيرش مقاله: 61/70/1392 تاريخ انتشار مقاله: 03/70/1392

كلمات كليدي:

Numerical Simulation of Wave Interaction with Porous Seawall in Two Dimensional Vertical Plane

Nikta Iravani1*, Masoud Montazeri Namin2

1Msc. Student, School of Civil Engineering, University College of Engineering, University of Tehran; nikta.iravani@ut.ac.ir
2 Assistant professor, School of Civil Engineering, University College of Engineering, University of Tehran; mnamin@ut.ac.ir

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

سازه متخلخل روش حجم سيال اندركنش موج
چكيده

يك مدل عددي ضمني حجم محدود براي شبيه سازي اندركنش موج با ديوارمتخلخل قائم ساحلي درفضاي دوبعدي قائم ارائه شده است. اين مدل معادلات كامل ناويراستوكس را در دو گام حل م يكند .
ابتدا ترم فشار از معادلات مومنتوم حذف شده و معادلات جابه جايي و پخش حاصل، حل م يشوند. در گام دوم معادلات پيوستگي و مومنتوم فقط با ترم فشار حل م يشوند. در اين گام يك دستگاه از معادلات بلوكي سه قطري به دست م يآيد كه در آن مقادير فشار مجهول هستند. از يك روش مستقيم براي محاسبه مجهولات بدون نياز به تكرار استفاده شده است. سطح آزاد آب با استفاده از روش حجم سيال دنبال شده است. محيط متخلخل با وارد كردن نيروهاي دراگ و اينرسي در معادلات ناويراستوكس مدل شده است. با مقايسه نتايج مدل با نتايج آزمايشگاهي صحت مدل ارزيابي شده است. بررسي نقش تخلخل و عرض ديوار در افزايش استهلاك انرژي موج با استفاده از مدل عددي نشان م يدهد كه محدوده اي بهينه براي عرض ديوار و ميزان تخلخل آن وجود دارد كه باعث حداكثر شدن استهلاك موج م يشود.

An implicit finite volume model is developed to simulate wave interaction with a vertical porous seawall in two-dimensional vertical plane. The algorithm solves the complete Navier–Stokes equations in two steps. First the pressure term in the momentum equations is excluded and the resultant advection–diffusion equations are solved. In the second step the continuity and the momentum equations with only the
pressure terms are solved to give a block tri-diagonal system of equations with pressure as the unknown. A direct matrix solver is used to solve this system without iteration. The free surface is traced with VOF method. The porous media is modeled by including drag and inertia forces in Navier-Stokes equations. A set of comparisons between computed results and measured data confirmed the model’s validation. Investigating the role of porosity and width of the structure in increasing energy dissipation through numerical tests show that an optimum value of structure width and porosity exists that can maximize the wave energy dissipation.

Article History:
Received: 28 Feb. 2013
Accepted 8 Oct. 2013
Available online: 22 Oct. 2013

Keywords:
Porous structure
Volume of fluid method Wave interaction

1 – مقدمه
سازه هاي متخلخل با انعكاس يا استهلاك انرژي امواج، شرايطي مناسب براي محافظت و بهرهبرداري از سواحل را فراهم ميسازند .براي بهبود عملكرد هيدروليكي سازه هاي متخلخل ميبايست انعكاس را به حداقل و استهلاك را به حداكثر رساند. با ورود موج به سازه متخلخل پارامترهاي اصلي موج دستخوش تغيير مي شوند ،لذا شناخت هرچه بيشتر پديده اندركنش موج با محيط متخلخل مهندسان را در طراحي يك سازه بهينه تواناتر مي سازد. با وجود تحقيقاتي كه در اين زمينه انجام شده است، هنوز مسئله استهلاك موج و انعكاس آن توسط سازه متخلخل به طور كامل روشن نشده است.
با پيشرفت دانش ديناميك سيالات محاسباتي، مدل هاي عددي بسياري براي حل مستقيم معادلات ناويراستوكس ارائه شدند. از انواع مدلهاي عددي غيرهيدروستاتيك ميتوان به روش SMAC اشاره كرد. اين روش كه توسط چنگ و همكاران [1] از سه گام اصلي تشكيل شده است. در گام اول با استفاده از شرايط اوليه يا مقادير گام زماني قبل، سرعتهاي مياني به صورت صريح تخمين زده ميشوند. سپس معادله فشار پواسون با استفاده از يك روش تكراري حل شده و فشارهاي جديد به دست ميآيند. در گام آخر سرعت هاي مياني با استفاده از اختلاف فشارها اصلاح ميشوند .
احمدي و همكاران[2] روشي مستقيم براي حل معادله پواسون بدون نياز به تكرار ارائه كردند. در اين روش يك ماتريس بلوكي سه قطري بر حسب فشارهاي مجهول تشكيل مي شود. سپس با استفاده از روشي مشابه با روش رفت و برگشت دوبل مجهولات فشار محاسبه ميشوند. در مدل عددي حاضر از اين روش براي كاهش زمان محاسبات استفاده شده است.
براي مدلسازي سطح آزاد در روش اويلري مي بايست از رو شهاي جانبي نظير Mac [3]، روش Level set [4]، روش هيدروديناميك ذرات هموار [5] و روش حجم سيال [6] ارائه
شده اند. روش حجم سيال يك روش اقتصادي و آسان براي مدلسازي مرزهاي آزاد در شبكه هاي دوبعدي و سه بعدي مي باشد .
اين روش در مقايسه با روش هاي قبلي نظير Mac محاسبات كمتري در هر گام زماني انجام مي دهد و به فضاي ذخيره كمتري احتياج دارد. همچنين VOF اين توانايي را دارد كه سطوح آزاد با هندسه پيچيده شامل جريانهاي جداشونده و تركيبشونده را نيز مدل كند.
تحقيقات در زمينه اندركنش موج و محيط متخلخل بيشتر پيرامون موج شكن هاي مستغرق و ديوارهاي متخلخل ساحلي انجام شده است. لينت و همكاران [7] و كريم و همكاران [8] از جمله محققيني هستند كه ديوار قائم متخلخل را مورد بررسي قرار داد هاند. لينت با استفاده از معادلات بوسينسك سعي در مدلسازي اندركنش موج منفرد و ديوار متخلخل داشته است. كريم از معادلات ناويراستوكس و روش حجم سيال استفاده كرده است .كريم به اين نتيجه رسيده است كه براي بهبود عملكرد هيدروليكي ديوار، مقادير بهينهاي براي عرض و تخلخل وجود دارد. همچنين اين دو عامل از موثرترين عوامل در انعكاس موج هستند. هوانگ وهمكاران [9] مدلي عددي براي اندركنش موج با موج شكن مستغرق با استفاده از معادلات ناويراستوكس ارائه كردند. نتايج نشان داده اند كه اگر عرض موج شكن نسبت به طول موج كوچك باشد، تخلخل تاثير قابل توجهي روي عبور موج نخواهد داشت. هيو و همكاران [01] از جمله محققيني هستند كه اندركنش امواج در حال شكست با موج شكن مستغرق را مورد بررسي قرار دادند .تحقيقات آزمايشگاهي بسياري نيز براي بررسي اندركنش موج و محيط متخلخل انجام شده است. در اين تحقيق يك مدل عددي براي شبيهسازي دوبعدي در قائم اندركنش موج با ديوار متخلخل ارائه شده است. در اين مدل، معادلات هيدروديناميك بدون نياز به تكرار و از روش مستقيم حل شدهاند. معادلات حاكم بر فضاي سيال و فضاي متخلخل يكسان هستند و سطح آزاد آب با روش حجم سيال دنبال شده است .

مدل عددي
1-2 معادلات اساسي حاكم
معادلات حاكم بر محيط متخلخل با وارد كردن مشخصات هندسي و نيروهاي مقاوم در برابر حركت سيال، در معادلات ناوير- استوكس به دست ميآيند [11]:

∂(γxu) ∂(γzw )
17983482479

+=0 (1)
∂x∂z
324613154787

∂u ∂u2 ∂uw λv +λx +λz =
∂t∂x∂z
∂φ ∂ ∂u 
40081361844

−γv+γνx (2

)+
∂x ∂x ∂x 
∂ ∂u ∂w 
17983360773

γνz +− Rx
∂z ∂z ∂x 
326135152290

∂w ∂wu ∂w 2 λv +λx +λz =
∂t∂x∂z
∂φ ∂ ∂w ∂u 
40385962199

128015562199

−γv+γυx +
∂z ∂x  ∂z∂z 
∂  ∂w 
+

γυz 2

−Rz
∂z  ∂z 

γx و γz تخلخل سطحي هستند كه نسبت سطح متخلخل به سطح مقطع سلول را نشان مي دهند.γv تخلخل حجمي است .
مقادير λz ،λx و λv به ترتيب از γz ،γx و γv با استفاد از رابطه λ γ γ= + −(1 )CM محاسبه مي شود.CM ضريب جرم افزوده يا اينرسي است. u و w به ترتيب سرعتهاي افقي و قائم
م يباشند .υضريب ويسكوزيته كينماتيكي است.φ نيز برابر P / ρ+ gz مي باشد كه در آن ρ چگالي ،P فشار و g شتاب گرانش است . نيروهاي كششي Rx و Rz از روابط( 4) به دست م يآيند:
CD
1249682-57876

2
2
2
2
u
w
+

2

2

2



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید