0-85923

نشریه مهندسی دریــا سال یازدهم/ شماره22/ پاییز و زمستان 1394(51-60)

مدلسازي عددي روگذري موج از موجشکن توده سنگی با در نظر گرفتن اثر تخلخل
علی قاسمی1 ، مهدي شفیعی فر2 * ، روزبه پناهی3

کارشناس ارشد، گروه سازههاي دریایی، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، [email protected]
استاد، گروه سازههاي دریایی، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس ،[email protected] 3 استادیار، گروه سازههاي دریایی، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس ،[email protected]
اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

پدیده روگذري موج از موجشکن توده سنگی از موضـوعات مهمـی اسـت کـه همـواره بعنـوان پـارامتري تاثیر گذار در طراحی موجشکنها مطرح است. اغلب مدلسازيهاي انجام شده در زمینه مطالعه روگذري بر مبناي روشهاي آزمایشگاهی بوده است و مدلسازي عددي روگذري موج از موجشکن متخلل که تحت اثر موج نامنظم قرار دارد کمتر مورد بررسی قرار گرفته است .در مطالعه حاضر با تکیه بر مطالعه آزمایشگاهی انجام شده، میزان روگذري موج از موجشکن توده سنگی متخلل که تحـت اثـر مـوج نـامنظم قـرار داردمدلسازي عددي شده است. براي سه ارتفاع موج مدلسازي شده در آزمایشگاه، مدلسازي عددي انجام شده است و مقایسه نتایج روگذري حاصل از مدلسازي عددي با نتایج آزمایشگاهی، خطایی در حدود 15 درصد را نشان داده است. این مقادیر خطا، با توجه به تفاوتهاي مدل عددي و آزمایشگاهی و همچنین خطاهاي مدل عددي، قابل قبول است. همچنین براي سه شیب مختلف سازه موجشکن، نتایج روگذري حاصـل ازمدلسازي عددي براي سازه با نسبت تخلخل 15/0 و سازه غیر متخلخل با فرمول اون مقایسه شد. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 19/01/1394 تاریخ پذیرش مقاله: 02/12/1394

کلمات کلیدي:
موجشکن توده سنگی روگذري موج
نرم افزار FLOW-3D

Numerical Simulation of Wave Overtopping From Armour Breakwater by
Considering Porous Effect

Ali Ghasemi1 , Mehdi Shafiee Far2 , Roozbeh Panahi3

1,MSc, Marine Structure Group, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Tarbiat Modares University; [email protected]
professor, Marine Structure Group, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Tarbiat Modares University; [email protected]
Assistant Professor, Marine Structure Group, Faculty of Civil and Environmental Engineering, Tarbiat Modares University; [email protected]
ARTICLE INFO

ABSTRACT

ABSTRACT

Article History: Wave overtopping on the breakwaters is an important issue in breakwaters’ design. Received: 8 Apr. 2015 Most of the previous studies focused on experimental researches and numerical
Accepted: 21 Feb. 2016 modeling of irregular wave overtopping particularly on porous breakwaters has not

been studied. In the present study, the verification between experimental studies and
Keywords:
Armour breakwater numerical modeling of irregular waves overtopping on the porous breakwater has Wave over topping shown 15% error for the wave height of 3 meters. Due to the existence error in FLOW-3D Software accuracy of numerical model and software and the difference between numerical and experimental model, this error is in the acceptable range and usual in numerical studies. Moreover, this study presented the comparison between Owen formula and
numerical modeling results of wave overtopping for two different conditions: the breakwater with the porosity of 0.15 and non-porous breakwater.

1 – مقدمه
روگذري امواج از سازههاي ساحلی یکی از مهم ترین واکنشهاي هیدرودینامیکی است که در طراحی این نوع سازهها مدنظر گرفته میشود. فرایند روگذري ناشی از برخورد موج به سازه، بالا روي آن و نهایتاً سرریزي جریان موج از سازه است. این پدیده عامل بسیاري از تخریبها در سازههاي ساحلی و سازههاي موجود در پسکرانه آنها، در گذشته و حال بوده است و در صورت زیاد بودن حجم روگذري، باعث عدم آرامش در حوضچه و عدم امکان بهره برداري از قسمت بالاي موجشکن میشود. بدلیل عدم قطعیت در پیش بینی تراز طراحی آب و همچنین در پیش بینی امواج طراحی از یک سو و از سوي دیگر به لحاظ هزینه احداث سازههاي بلند، قبول وقوع درصدي روگذري غیر قابل اجتناب است [1].
تحقیقات فراوانی در خصوص پدیده روگذري امواج از سازههاي ساحلی در 50 سال اخیر انجام شده است. این مطالعات منجر به تصحیح مداوم در روشهاي پیش بینی روگذري از سازههاي محافظت از ساحل در مقابل امواج دریا گردیده است. روشهاي موجود عمدتا به دو دسته روشهاي عددي و روشهاي آزمایشگاهی تقسیم بندي میشوند. هرچند اغلب تحقیقات انجام شده بر مبناي روشهاي آزمایشگاهی بوده است ،روشهاي عددي نیز با وجود پیچیدگیهاي آنها، بدلیل آنکه شرایط مختلف موج و اشکال مختلف سازه در آن با تغییرات اندك در برنامه قابل دسترسی است، مورد اقبال عمومی محققین قرار گرفته است.
عموما براي یک طوفان مشخص، حجم کل آب که روگذري می-کند بخوبی توسط روشهاي جنسن و ون در مییر( 1994)، اوون (1980)، هدجس و ریس (1998)، که مبتنی بر آزمایشات تجربی میباشند پیش بینی میشود[2]، [3]، [4]؛ اما گودا( 2000)، نشان داده است که این فرمولها، بطور کامل پیچیدگی امواج را در آب کم عمق در نظر نمیگیرند و ممکن است بطور عمدهاي دبی-هاي روگذري را کمتر از مقدار واقعی پیش بینی کنند[5]. تجزیه و تحلیل انجام شده توسط بسلی و همکاران( 1998)، نیز نشان میدهد روشهایی که این اثر را در نظر نمیگیرند ممکن است روگذري تحت امواج در حال شکست را کمتر از مقدار واقعی پیش بینی کنند[6]. این یافته توسط مطالعات عددي هیو و همکاران
(2000) مورد حمایت و تایید قرار گرفته است[7].
با افزایش قدرت محاسباتی کامپیوترها، مدلهاي محاسباتی زیادي جهت مدلسازي روگذري موج از سازهها طی سالهاي اخیر توسـعهیافته است. نخستین تلاشهاي جدي در این زمینه در سال 1989 و توسط کوبایایشی و ورجانتو صورت گرفت که به مدلسازي عددي روگذري موج منظم از سازههاي ساحلی نفوذ ناپدیر واقع بر ساحل شیبدار پرداختند[8].
مارویاما و هیراشی(1998)، یک مدل عددي بمنظور محاسبه دبی روگذري امواج چند جهته از یـک موجشـکن قـائم ارائـه نمودنـد،فرض اساسی این مدل این بود که دبی روگذري مـی توانـد توسـط یک رابطه سرریز تعریف شود[9]. هیـ و و همکـاران ( 2000)، یـکمدل دو بعدي عددي را براي محاسبه روگـذري از معـادلات غیـرخطی آب کم عمق ارائه نمودند اما این مطالعـه تنهـا بـراي امـواجمنظم معتبر است[7]. بمنظور مدلسازي سه بعدي و محاسبه دبی روگذري حاصل از امواج نامنظم روشهایی مورد استفاده قرار گرفت که مبتنی بر حجم سیال بودند. با موفقیـت ایـن روشهـا مطالعـهفرایند روگذري با جزئیاتی بیشتر از آنچه که در آزمایشهاي مدل فیزیکی امکان پذیر است انجام میگیرد.
یکی از کدهاي معروف مبتنی بر روش حجم سـیال، کـد -NASAVOF2D (توري و همکاران 1985) میباشد که اصلاحات زیادي در آن صورت گرفته است[10]. این کد و نیز کد SOLA-VOF در آزمایشگاه ملـیAlamos بـا توسـعه ایـن مـدلVOF ، کـدCFD تجـ اري بنـ ام FLOW-3D را ایجـ اد نمودنـ د[11]. دنتـ ال و همکاران(2009)، با استفاده از نرم افـزارFLOW-3D بـه بررسـیروگذري موج از موجشکن توده سنگی در اثر برخورد امواج حاصل
از طیف JONSWAP پرداختند و نشان دادند که نتـایج حاصـل از نرم افزار از دقت خوبی نسـبت بـه روابـط آزمایشـگاهی برخـورداراست[12].
مطالعه مدلسازيهاي عـددي کـه اشـاره شـدند نشـان مـیدهـد،مدلسازي عددي اندرکنش موج نامنظم با محیط متخلخـل کمتـرمورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیـق بـا الگـو قـرار دادننمونه آزمایشگاهی، لایههـاي فیلتـر و هسـته موجشـکن بصـورتمحیط متخلخل معرفی شـد و بـا تولیـد طیـف مـوج نـامنظم بـاشرایطی مشابه با آزمایشگاه مدلسازي انجام شد تا صحت نتایج نرم افزار FLOW-3D در مدلسازي اندرکنش محیط متخلخـل و مـوجنامنظم مشخص شود و با مقایسه مقادیر روگـذري حاصـل از ایـنمدلسازي با نتایج روگذري آزمایشگاهی، دقت نتایج مشخص شـد.همچنین براي سه شیب مختلف سازه موجشکن، نتـایج روگـذريحاصل از مدلسازي عددي براي سازه بـا نسـبت تخلخـل 15/0 و سازه غیر متخلخل با فرمول اون مقایسه شد.

2- معادلات حاکم
نرم افزار FLOW-3D نرم افزاري چند جانبه و سـازگار بـا شـرایطپیچیده جریان در مدلسازي به صورت دو بعدي و سه بعدي است .روش حل معادلات در این نرم افزار براساس روش حجم محدود در شبکه بندي منظم است.

در ادامه معادلات حاکم بر حرکت سیال، مدلهاي آشفتگی ومدلسازي جریان در محیط متخلخل تشریح میگردند. معادلات حاکم بر جریان سیال، بیانگر قوانین فیزیکی بقا بصورت عبارت ریاضی میباشد. یکی از این قوانین، معادله پیوستگی میباشد که از قانون بقاي جرم و با نوشتن معادلات تعادل جرم براي یک حجم از سیال و با فرض تراکم ناپذیري سیال در سه جهت y ،x و z به صورت رابطه( 1) بدست میآید:

80391114962

( )u  (v)  (w)  0
( )x( )y( )z

که در آن v ،u و w مولفههاي سرعت به ترتیب در جهـت هـايx ، y و z هستند.
یکی دیگر از این قوانین قانون اصل بقاي اندازه حرکـت یـا قـانوندوم نیوتون میباشد، این قانون بیان مـی کنـد نـرخ تغییـر انـدازهحرکت با برایند نیروهاي وارد بر سیال برابر است. با در نظر گرفتن جریان غیر قابل تراکم و ثابـت فـرض کـردن ضـریب ویسـکوزیته،معادله ناویر استوکس بصورت رابطه( 2) میباشد:

25793753303

181546553303

ut uxuvyuwzu  xP  g  x2u2y2u2z2u2
x
 v v vv P2v 2v 2v 
2579374978

18268954978

t uxvywz   y  gy x2y2z2

 w w wwP2w 2w 2w 

257937920

1914906920

  t ux v y w z   z  gz x2y2z2

در این معادلههاg y ، gx وgz شتابهاي جرم در جهتهاي x، y و z است ، ویسکوزیته سیال ، چگالی سیال بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب و P فشار سیال برحسب پاسکال می-باشند.
نرم افزار مورد استفاده امکان بهره برداري از چندین مدل آشفتگی از جمله k-ε ،RNG و LES را براي کاربران فراهم کرده است .
مدل RNG از معادلاتی شبیه به k-ε استفاده میکند. ثوابتی که به طور تجربی در مدلهاي k-ε استاندارد بدست آمده است، در مدل RNG به طور صریح استحصال میشود، اما به طور کلی مدل RNG کاربرد وسیعتري نسبت به k-ε دارد. همچنین مدل LES براي شبیه سازي گردابههاي بزرگ بیشتر کاربرد دارد.[13].
براي مدلسازي تخلخل در نرم افزار، از دو روش دارسی و فورشهیمر استفاده شده است. بنابر قانون دارسی، افت فشار در محیط متخلخل با سرعت متوسط بصورت خطی مطابق رابطه( 3) مرتبط است. در این رابطه K نفوذپذیري ، ویسکوزیته دینامیکی و UD سرعت دارسی یا همان سرعت ظاهري جریان میباشد. در این رابطه جریان پایدار فرض شده، اثرات اینرسی یا وابستگی زمانی در نظر گرفته نشده است و لذا براي اعداد رینولدز خیلی کم 1(«(Re صادق است.

 p

KuD

با افزایش عدد رینولدز و کاهش فشار، رابطه دارسی از حالت خطی خارج میشود. بمنظور اصلاح رابطه دارسی، فورشهیمر با اضافه کردن ترم غیر خطی به رابطه دارسی و پس از اصلاحات بسیار ،رابطهي( 4) را ارائه کرد که به رابطه فورشهیمر معروف گردیده است. فورشهیمر مشاهده کرد با افزایش سرعت، اثرات اینرسی بر جریان حاکم میشود.

721233-26697

  p (a b uD )uD

که در رابطه( 4)، a و b با استفاده از اطلاعات تجربی بدست میآیند.
بمنظور ترکیب روابط خطی و غیر خطی، همه ضرایب در ضریبی به اسم Fd، که به ضریب درگ معروف است بصورت رابطه( 5) ترکیب میشوند.

11n 1nRep  (5)
103517737162

FUdpore   pABupore
 n ndpore 

که پارامترهاي رابطه( 5) بصورت زیر تعریف میشوند:
188480715694



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید