پژوهشنامه حمل و نقل

پژوهشنامه حمل و نقل

توسعه مدل عددی سه بعدی جریان با کارآیی بالا برای شبیه سازی جریان اطراف پایه و کوله پل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
فواد کیلانه ئی 1
امیر محجوب 2
سید تقی امید نایینی 3
مسعود منتظری نمین 3
1 دانشیار، گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران
2 استادیار، پژوهشکده حمل و نقل، مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، تهران، ایران
3 دانشیار، دانشکده مهندسی عمران، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
10.22034/tri.2024.476718.3273
چکیده
در این مقاله یک مدل عددی سه بعدی با کارآیی بالا برای شبیه سازی جریان اطراف کوله و پایه پل توسعه داده شده است. از آنجایی که تمرکز مدل توسعه داده شده برای مدلسازی جریان در اطراف پل‌های رودخانه‌ای است، بنابراین در کلیه بخشهای مختلف مدل توسعه داده شده، کاهش هزینه محاسبات با حفظ دقّت مورد نیاز مد نظر قرار گرفته است. مدل سه بعدی از روش حجم محدود و گام کسری بر روی یک شبکه بدون ساختار مثلثی در پلان و با ساختار در صفحه قائم برای حل معادلات حاکم استفاده می‌کند. در مدل عددی، معادله انتقال در صفحه افقی با استفاده از روش صریح و در صفحه قائم با استفاده از روش ضمنی حل شده‌اند. مدل‌سازی آشفتگی بر اساس مدل مختلط، اسماگورینسکی در پلان و یک بعدی k-ε در جهت قائم، انجام گرفته است. برای در نظر گرفتن تراز سطح آزاد آب در مدل عددی، صرفاَ فشار لایه آخر با فرض فشار هیدرواستاتیک تعیین شده است. برای ارزیابی مدل، توسعه لایه مرزی سه بعدی در کانال روباز مورد آزمون قرار گرفته‌ است. مقایسه نتایج حاصله از مدل‌سازی جریان اطراف یک پایه پل و کوله پل با نتایج آزمایشگاهی، بیانگر دقّت مناسب و کارآیی بالای مدل سه بعدی توسعه داده شده است.
کلیدواژه‌ها
مدلسازی سه بعدی جریان
روش حجم محدود
روش گام کسری
شبکه بدون ساختار مثلثی
پل‌های رودخانه‌ای

موضوعات

عنوان مقاله English

Development of Three-Dimensional Numerical Flow Model with High Efficiency for Simulating the Flow around the Pier and Abutment of the Bridge

نویسندگان English

Fouad Kilanehei 1
Amir Mahjoob 2
Seyed Taghi Omid Naeeni 3
Masoud Montazeri Namin 3
1 Associate Professor, Department of Civil Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
2 Assistant Professor, Transportation Research Institute, Road, Housing & Urban Development Research Center, Tehran, Iran.
3 Associate Professor, College of Engineering, School of Civil Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.
چکیده English

In this paper, a three-dimensional numerical model with high efficiency has been developed to simulate the flow around the abutment and bridge foundation. Since the focus of the developed model is to model the flow around river bridges, therefore, in all the different parts of the developed model, reducing the cost of calculations while maintaining the required accuracy is considered. The 3D model uses the finite volume and fractional step method on a grid without a triangular structure in the plan and with a structure in the vertical plane to solve the governing equations. In the numerical model, the transfer equation has been solved in the horizontal plane using the explicit method and in the vertical plane using the implicit method. Turbulence modeling is based on the mixed model, Smagorinsky in the plan and one-dimensional k-ε in the vertical direction. To consider the level of the free surface of water in the numerical model, only the pressure of the last layer has been determined by assuming hydrostatic pressure. To evaluate the model, the development of the three-dimensional boundary layer in the open channel has been tested. The comparison of the results obtained from the modeling of the flow around a bridge pier and the bridge deck with the laboratory results shows the appropriate accuracy and high efficiency of the developed three-dimensional model.

کلیدواژه‌ها English

3D Flow Modeling
Finite Volume Method
Fractional Step Method
Unstructured Triangular Grid
River Bridges
-آقایی شلمانی، یاسین و حکیم زاده حبیب (1387). مدل عددی سه بعدی جریان اطراف پایه‌های استوانه‌ای شکل به روش حجم محدود، چهارمین کنگره ملی مهندسی عمران، دانشگاه تهران.
-صفائی، سعید، کیلانه­ئی، فواد و محجوب، امیر (1399). مدلسازی عددی تاثیر طول کوله پل در سیلاب-دشت بر تنش برشی بستر و مومنتوم جریان، نشریه پژوهش­های حفاظت آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، جلد بیست و هفتم، شماره ششم.
-کیلانه­­ئی، فواد (1390). توسعه مدل دو بعدی - سه بعدی شبیه‌سازی جریان در اطراف سازه‌های هیدرولیکی رودخانه‌ای، رساله دکترای تخصصی مهندسی عمران، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تهران.
-نائینی س.ت.ا.، فضلی م.، (1390). بهره‌گیری مشترک از مدل عددی و مشاهده فیزیکی در تعیین اثر شکل مقاطع پایه پل­ها بر نیروهای دینامیکی وارد بر آن، مجله دانشکده فنی دانشگاه تهران.
-هادیان م.ح.، زراتی ا.ر.،  (1384). ارائه یک مدل ریاضی برای پیش‌بینی وضعیت جریان و توپوگرافی بستر در محل پل‌ها، پایان‌نامه دکترای تخصصی مهندسی عمران، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر.
-هادیان م.ح.، زراتی ا.ر.،  (1388). مدل‌های عددی آب‌های کم عمق و کاربرد آنها در مهندسی رودخانه و سواحل، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر(پلی تکنیک تهران).
-Ahmed F, Rajaratnam N. (1998). Flow around bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering, 124(3): 288-300.
-Asadi, M., Kilanehei, F., Mahjoob, A., (2022). Numerical Study of Road Embankment Type Action on Shear Stress Around Skewed Bridge Abutment, The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, Vol. 17 Issue 4: 95–119
-Cui Z, Zhang X. (2005). Flow and sediment simulation around spur dike with free surface using 3D turbulent model, Conference of Global Chinese Scholars on Hydrodynamics, 237-244.
-Dargahi B, (1987). Flow field and local scouring around a pier. Bulletin No. TRITA-VB1-137, Hydraulic Laboratory, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden.
-Kimura I, Hosoda T., (2003). A non­ linear k-ε model with realizability for prediction of flows around bluff bodies. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 42: 813-837.
-Mahjoob, A., Kilanehei, F., (2020). Effects of the skew angle and road embankment length on the hydraulic performance of bridges on compound channels. Journal of the South African Institution of Civil Engineering, Vol. 62 No 4, December, 44–54.
-Mayerle R, Toro FM, Wang SSY, (1995). Verification of a three-dimensional numerical model simulation of the flow in the vicinity of spur dikes. Journal of Hydraulic Research, 33(2): 243-256.
-McCoy A, Constantinescu G, Weber J, 2008. Numerical investigation of flow hydrodynamics in a channel whit series of groynes. Journal of Hydraulic Engineering (ASCE), 134(2): 157-172.
-Molinas A, Hafez YI, 2000. Finite element surface model for flow around vertical wall abutments. Journal of Fluids and Structures, 14: 711-733.
-Nakagawa H, Nezu I, Ueda H, (1975). Turbulence in open channel flow over smooth and rough beds. Proc. of Japan Soc. Civil Eng., 241: 155-168.
-Namin MM, (2003). A fully three dimensional non hydrostatic free surface flow model for hydro environmental predictions. Ph.D. Thesis, Cardiff School of Engineering, Cardiff University.
-Namin MM, Lin B, Falconer RA, (2004). Modeling estuarine and coastal flows using an Unstructured triangular finite volume algorithm. Journal of Advances in Water Resources, 27: 1179-1197.
-Nezu I, Rodi W, (1986). Open channel flow measurement with a Laser Doppler Anemometer. Journal of Hydraulic Engineering. 112(5): 335-355.
-Olsen N, Melaaen M, 1993. Three-dimensional calculations of scour around cylinders. Journal of Hydraulic Engineering. 119(9): 1048-1054.
-Ouillon S, Dartus D, 1997. Three-dimensional computation of flow around groyne. Journal of Hydraulic Engineering (ASCE), 123(11): 963-970.
-Ranga Raju KG, Asawa GL, Mishra HK, (2000). Flow establishment length in rectangular Channels and ducts. Journal of Hydraulic Engineering (ASCE), 126(7): 533-539.
-Rodi W, 1984. Turbulence models and their application in hydraulic, a state of the art view, Federal Republic of Germany, University of Karlsruhe.
-Salaheldin TM, Imran J, Chaudhry MH, (2004). Numerical modeling of three-dimensional flow field around circular piers. Journal of Hydraulic Engineering (ASCE), 130(2): 91-100.
-Xuelin T, Xiang D, Zhicong C. (2006). Large eddy simulation of three dimensional flows around a super dike. Journal of Tsinghua Science and Technology, 11(1): 117-123.
-Yazdi J, Sarkardeh H, Azamatulla HMD, Ghani A. (2010). 3D simulation of flow around a single spur dike with free surface flow. International Journal of River Basin Management, 8(1): 55-62.