فرناز مشکین‌فر

بررسي الگوی جریان آبشستگي اطراف پای مخروطی شکل

چکیده

آب‌شستگی پدیده‌ای است که در نتیجه‌ی عمل فرسایش بستر توسط جریان آب و حمل مواد جداشده از آن بوسیله‌ی جریان رخ می‌دهد. آب‌شستگی موضعی نوع خاصی از پدیده‌ی فوق است که مهم‌ترین عامل تخریب پل‌ها به شمار می‌رود و شناخت الگوی جریان اطراف پایه از اهمیت خاصی برخوردار است. شناخت جریان اطراف پایه به پیش‌بینی رفتار آن در حالات مختلف کمک کرده و سبب ارائه‌ی روش‌های مناسب به منظور کاهش و کنترل آب‌شستگی اطراف پایه می‌شود. تاکنون مطالعات نسبتاً زیادی جهت بررسی عمق آب­شستگی  پایه‌های استوانه‌ای و مخروطی شکل انجام شده است ولی رفتار جریان اطراف پایه‌ها، به خصوص پایه‌ی مخروطی شکل کمتر مورد توجه قرار گرفته است.

در این تحقیق، علاوه بر الگوی جریان اطراف پایه‌ی استوانه‌ای، الگوی جریان اطراف پایه مخروطی شکل نیز مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور آزمایش‌ها در دو شرایط بستر صاف (قبل از وقوع آب­شستگی) و بستر صلب شده پس از انجام آب­شستگی، انجام شده است. در هر کدام از این شرایط، پایه‌های مخروطی و استوانه‌ای با قطرهای 60 و 70 میلیمتر با دو دبی متفاوت 43 و 29 لیتر بر ثانیه استفاده شده‌اند. پایه مخروطی با دو زاویه 5/2 درجه و 5 درجه آزمایش شد. آزمایش‌ها در یک کانال به طول 9 متر، عرضی 6/0 متر و ارتفاع 7/0 متر با ذرات ماسه به قطر 74/0 میلی­متر انجام شد. اندازه‌گیری سرعت سه بعدی لحظه‌ای بر روی محور مرکزی کانال در بالادست و پایین‌دست پایه‌ها با استفاده از دستگاه سرعت سنج سه بعدی(ADV)  انجام شد. گودال آب­شستگی پس از رسیدن به تعادل، به وسیله سیمان و پودر سنگ تثبیت شد تا برداشت میدان سرعت به آسانی انجام گیرد.

نتایج آزمایش­ها نشان دادند که تأثیر پایه‌ی مخروطی بر رفتار جریان در بالادست پایه،  سبب کاهش مقادیر سرعت طولی و سرعت قائم در بالادست پایه می‌شود. با افزایش زاویه جانبی پایه، چاله‌ی آب‌شستگی کوچکتر شده و مقادیر سرعت طولی منفی کاهش می‌یابد. در اعماق بالاتر از سطح بستر، پروفیل سرعت طولی پایه‌ی مخروطی نسبت به پایه استوانه‌ای یکنواخت‌تر است و اختلاف بین مقادیر سرعت در نزدیکی سطح آب و سطح صاف کاهش می‌یابد. با افزایش زاویه جانبی پایه، اختلاف بین مقادیر سرعت طولی در یک مقطع در فواصل نزدیک به پایه کاهش می‌یابد. کاهش اختلاف بین مقادیر سرعت طولی سبب کاهش گرادیان فشار ایجاد شده در جلوی پایه می‌شود. کاهش گرادیان فشار ایجاد شده در جلوی پایه نیز باعث کاهش جریان رو به پایین در جلوی پایه می‌شود. با افزایش زاویه جانبی پایه، بیشینه مقادیر سرعت قائم کاهش می‌یابد. در پایین‌دست، مقادیر سرعت طولی و قائم برای دو پایه‌ی مخروطی و استوانه‌ای تقریباً اختلاف قابل توجهی ندارد و صرفاً بیشینه مقادیر سرعت قائم با افزایش زاویه جانبی، کمی کاهش می‌یابد.