1-2-­ نحوه شکل­گیری الگوی جریان و فرسایش در قوس رودخانه­ها

جریان در مجاری هیدرولیکی دارای طبیعت سه بعدی بوده و علاوه بر جهت غالب، که همان جهت اصلی[1]نامیده می­شود، در جهات دیگر نیز وجود دارد. این جریان­ها که در داخل مقطع عرضی رخ می­دهند به جریان­های ثانویه موسوم هستند. در منابع مختلف، محققین از این نوع جریان، علاوه بر جریان ثانویه، با نام­هایی چون حرکت ثانویه، چرخش ثانویه، جریان عرضی، چرخش عرضی، جریان مقطعی و … نام برده­اند.

سیرای در سال 1976 تعریفی نسبتا کاربردی برای جریان ثانویه ارائه داده است ]1[: اگر در یک جریان سه بعدی، اندازه یک بردار تشکیل شده از تعادل دو مولفه از بردار سرعت محلی، در مقایسه با مولفه سوم کوچک باشد، بردار سرعت اخیر (بردار سوم)، جریان اصلی در کانال را تشکیل می­دهد و دو مولفه قبلی جریان­های ثانویه را تشکیل می­دهند.

پرانتل جریان ثانویه را برحسب نوع نیروهای بوجود آورنده آن به دو دسته کلی تقسیم می­کند ]2[:

• جریان ثانویه ناشی از آشفتگی
• جریان ثانویه ناشی از فشار

وی جریان ثانویه ناشی از آشفتگی را به خاطر وجود اختلاف تنش­های آشفتگی در مجاری با مقاطع غیردایروی می­داند و قدرت آنها را در حدود 5 تا 10 درصد قدرت جریان طولی ذکر می­کند. ایشان عامل شکل­دهنده جریان ثانویه ناشی از فشار را نیز، نیروی گریز از مرکز معرفی می­کند که از طریق ایجاد شیب جانبی در سطح آب، باعث ایجاد اختلاف فشار بین دیواره داخلی و خارجی می­شود و قدرت این نوع جریان ثانویه را در حدود20 تا 30 درصد قدرت جریان طولی عنوان کرده­ است.

رزوفسکی ]3[ در سال 1957 توضیحی ریاضی برای نحوه شکل­گیری جریان ثانویه ناشی از فشار ارائه داده است. وی با درنظر گرفتن یک حجم کنترل در فاصله Z از بستر کانال که در امتداد مسیری به شعاع ثابت، حرکت می­کنند (شکل2-1)، نشان داد که با صرف نظرکردن از نیروی اصطکاک، با تعادل تمام نیروهای وارد بر حجم کنترل، رابطه زیر برای محاسبه شیب عرضی سطح آب به دست خواهد آمد:

شکل 1-2 طرحی از شیب عرضی سطح آب و جریان چرخشی شکل گرفته در بازه قوسی شکل کانال]3[

لذا این­گونه می­توان­ عنوان کرد که با ورود جریان به قوس، نیروی گریز از مرکز بر آن اثر می­كند که این نیرو در راستای شعاع قوس و نیز در جهت عمق بخاطر تغییرات سرعت، متغیر می­باشد. نیروی گریز از مرکز موجود در خم باعث ایجاد شیب عرضی در سطح آب می­شود که سطح آب را در قوس بیرونی بالا برده و در قوس داخلی باعث کاهش عمق می­شود. این پدیده باعث ایجاد گرادیان فشار جانبی در داخل مقطع خواهد شد. حال هرگاه گرادیان فشار مزبور بر نیروی گریز از مرکز غلبه کند، جریانی در جهت عرضی داخل مقطع شکل می­گیرد که همان جریان ثانویه می­باشد. در اثر این جریان، ذرات موجود در سطح آب بطرف دیواره بیرونی حرکت کرده و ذرات سیال در کف بطرف دیواره داخلی جابجا می­شوند. در شکل 1-3 الگوی جریان ثانویه نشان داده شده است علاوه براین در این شکل جریان ثانویه دیگری در نزدیک دیواره خارجی نیز وجود دارد. اگرچه این جریان ثانویه از قدرت چرخشی کمتری برخوردار می باشد اما عامل مهمی در فرسایش دیواره خارجی دارد.

در اثر اندرکنش جریان ثانویه با پروفیل غیریكنواخت سرعت طولی، الگوی جریان خاصی به نام جریان حلزونی تشکیل می­شود که باعث تغییرات زیادی در الگوی جریان قوس نسبت به جریان در کانال مستقیم می­شود، همچنین سبب می‌گردد كه قوس خارجی فرسایش یافته و رسوبات به قوس داخلی منتقل شود و در نتیجه خط‌القعر رودخانه بطرف قوس خارجی متمایل شود. بنابراین منطقی به نظر می‌رسد كه آبگیری از ساحل خارجی خم رودخانه صورت پذیرد تا هم رسوبات كمتری به داخل دهانة آبگیر منحرف شود و هم به علت افزایش عمق آب در این قسمت بتوان آب را در ترازهای بالاتری كه رسوبات كمتری را با خود حمل می‌كنند، برداشت نمود. در شکل 1-4 این جریان نشان داده شده است.

­ عوامل موثر بر الگوی جریان در کانال قوسی

در یک کانال قوسی شکل، عوامل موثر بر الگوی جریان می­توانند به صورت پارامترهای زیر معرفی شوند ]3[:

• زاویه مرکزی قوس.
• نسبت شعاع انحنای مرکزی به عرض مقطع جریان.
• نسبت عرض مقطع جریان به عمق جریان.
• زبری بستر کانال و جداره­های آن.
• شرایط جریان ورودی در بالادست کانال.

در کانال­های غیر مستقیم، رژیم جریان ورودی تاثیر بسزایی بر الگوی جریان دارد. در حالت کلی در جریان­های زیر بحرانی، سطح آب حالت صاف داشته و بربلندی جانبی ملایمی دارد، در حالی که در جریان­های فوق بحرانی، سطح آب دارای امواج جانبی بوده و بربلندی ایجاد شده بسیار بیشتر از حالت زیربحرانی می­باشد ]4[. در مطالعه جریان­های زیربحرانی جریان حلزونی نقش اصلی را داشته و اصطکاک نقش مهمی در شکل­گیری آن بازی می­کند. بنابراین در تحلیل چنین جریان­هایی، عدد رینولدز به عنوان یك پارامتر مهم مطرح می­باشد. برای حالت فوق بحرانی، هدف اصلی از تحقیق، بررسی مکانیسم امواج جانبی می­باشد. این امواج نشانگر تاثیر مستقیم ثقل بر سطح آب بوده و در نتیجه، پارامتر اصلی در تحلیل چنین جریان­هایی عدد فرود جریان ورودی می­باشد. در بین پارامترهای فوق، نسبت شعاع انحنای مرکزی به عرض مقطع جریان در شکل­گیری الگوی جریان بسیار مهم بوده و در حالت کلی با توجه به مقدار این پارامتر، می­توان قوس­ها را به دو دسته زیر تقسیم­بندی کرد ]3[:

جدول 1-1 تقسیم­بندی قوس­ها بر اساس نسبت شعاع انحنا به عرض مقطع کانال.

این مطلب را هم بخوانید :