Hydrodynamics of the Sudden Dam Break over a Porous Bed

محسن¬زاده, پیمان and صفرزاده, دکتر اکبر and نوروزی, مهندس بهزاد (2019) Hydrodynamics of the Sudden Dam Break over a Porous Bed. Masters thesis, University of Mohaghegh Ardabili.

[img] Text
New Microsoft Word Document.pdf

Download (2MB)
Official URL: http://uma.ac.ir/

Abstract

Research Aim: Because of the financial losses, casualties, environmental and social impacts, the dam break phenomenon is one of the important problems in hydraulic engineering. In the event that residential areas are located in the downstream, the loss of lives will occur in addition to financial damages. The purpose of this study is 3D numerical investigation of the effect of the Permeability and depth of the porous bed and also the depth of water in downstream porous bed on the model as well as the flood wave propagation due to sudden dam break phenomena. Research method : In this research, at the beginning two classic models of sudden failure of the dam on a rigid bed and Model of water penetration in porous media model was made and results are compared with existing laboratory data. Validation of the results is done by comparing the water surface profiles with failure of the dam on porous bed. In models, the downstream bed is considered with different values of porosity and depth of water. The modeling is carried out in 3D mode using Flow3D software with best mesh size and the RNG turbulence model. In numerical modellings, the porosity and drag coefficients of the Forschheimer model have been considered as main parameters of the porous media and appropriate coefficients for any porous media has been determined using sensitivity analysis. Findings: Based on modeling results, due to the influence of the dynamic wave in the early moments of failure of the dam break, the hydrograph has a local peak. Results showed that the numerical model perfectly simulates flow through the porous media and results are highly accurate. The presence of porous bed reduces the acceleration of the flood wave relative to the flow on the rigid bed and decreases with the increase of the permeability of the bed, the speed of movement and consequently the rate flood wave propagation. Also, by increasing the permeability of the bed, the slope of the ascending limb of the flood hydrograph and the amount of peak discharge also drops. Based on the results of modeling on the effect of porous bed depth on flood hydrograph, if the depth and permeability of the bed is such that the intrusive stream reaches the rigid substrate under porous bed, causing saturation of the porous bed and increasing the hydrostatic pressure inside the porous substrate, resulting in a sharp increase in the flood hydrograph slope. In this case, by increasing the depth of the porous bed, the effect of this process on the flow pattern is also delayed. Conclusion: The numerical model perfectly simulates hydrograph of the flood on the porous bed at the dam site and along the channel. Comparison of flow pattern on rigid substrate and dry porous substrate with similar geometry showed that flow rate on porous bed is always less than flow rate on rigid bed. By increasing the diameter of the particles and thus increasing the permeability of the porous bed, the velocity of the wave tip and flow discharge and the free surface height have decreased. By comparing the flow pattern on the dry porous bed and saturated porous bed, the flow rate, the flow height and the horizontal component of the flow velocity over the bed, on the porous saturated bed is always more than the same as the dry porous bed. By increasing the depth of the porous bed, the velocity of the wave tip and discharge and the free surface elevation have been decreased. As the flow through the channel progresses, the peak discharge recorded at stations is reduced and in dry bed models, the decrease in peak flow is higher along the channel. The highest values of peak discharge at the end of the channel with porous bed occurred in saturated porous bed conditions

Item Type: Thesis (Masters)
Persian Title: هیدرودینامیک شکست ناگهانی سد بر روی بستر متخلخل
Persian Abstract: هدف:¬¬ شکست سد از جمله پدیده‌هایی است که به دلیل وارد نمودن خسارات مالی و جانی، زیست‌محیطی و اجتماعی زیاد، دارای اهمیت فراوانی می‌باشد. درصورتی‌که در پایین‌دست سد، مناطق مسکونی وجود داشته باشد، علاوه بر خسارات مالی، خسارات جانی نیز به بار می‌آید. در این تحقیق، پدیده شکست سد بر روی بستر متخلخل به صورت سه بعدی مدل‌سازی عددی شده و تأثیر نفوذپذیری بستر متخلخل، عمق بستر متخلخل و عمق آب در بستر متخلخل پایین¬دست بر نحوه حرکت جریان ایجاد شده در اثر شکست ناگهانی سد مورد مطالعه قرار گرفته ¬است. روش¬شناسی پژوهش: در این تحقیق، ابتدا دو مدل کلاسیک از شکست ناگهانی سد بر روی بستر صلب و نفوذ آب در شبکه¬ی متخلخل ساخته شده و نتایج با داده¬های آزمایشگاهی موجود مقایسه شده است. در ادامه، صحت¬سنجی نتایج به صورت مقایسه پروفیل¬های سطح آب پیش¬بینی شده با مدل شکست سد روی بستر متخلخل انجام شده است. در مدل‌سازی‌ها، بستر پایین‌دست دریچه با میزان تخلخل¬ و عمق آب متفاوت در نظر گرفته‌شده است. با توجه به اهداف مورد‌نظر در این تحقیق، با به‌کارگیری نرم‌افزار Flow-3D ، مدل آشفتگی RNG در کنار اعمال بهترین مش¬بندی انتخاب شد. در مدل¬سازی¬ها، درصد تخلخل و هم¬چنین ضرایب درگ مدل فورشهایمر به عنوان شاخصی از مقاومت محیط متخلخل در برابر جریان به عنوان پارامترهای اصلی محیط متخلخل مورد استفاده قرار گرفته است. یافته¬ها: بر اساس نتایج مدلسازی¬های صورت گرفته، به دلیل تاثیر موج دینامیکی در لحظات اولیه شکست سد، یک پیک موضعی در هیدروگراف سیلاب رخ می¬دهد. همچنین بنابر نتایج حاصل از این تحقیق، مدل عددی به خوبی حرکت جریان در داخل و بر روی محیط¬های متخلخل را پیش بینی می¬نماید و نتایج حاصله از دقت بسیار بالایی برخوردار هستند. وجود بستر متخلخل باعث کاهش شتاب حرکت موج سیلاب نسبت به حالت جریان روی بستر صلب شده و با افزایش میزان نفوذپذیری بستر، سرعت حرکت و در نتیجه میزان پیشروی موج سیلاب کاهش می¬یابد. همچنین با افزایش میزان نفوذپذیری بستر، شیب شاخه صعودی هیدروگراف سیلاب و مقدار دبی پیک نیز افت می¬کند. بر¬اساس نتایج مدل¬سازی¬های مربوط به تاثیر عمق بستر متخلخل بر روی هیدروگراف سیلاب، در صورتی که میزان عمق و نفوذپذیری بستر به گونه¬ای باشد که جریان نفوذی، به بستر صلب زیرین بستر متخلخل برسد باعث اشباع بستر متخلخل و افزایش فشار هیدرواستاتیکی در داخل بستر متخلخل و در نتیجه افزایش شدید در شیب هیدروگراف سیلاب می¬شود. در این حالت با فزایش عمق بستر تاثیر این فرایند روی الگوی جریان نیز به تاخیر می¬افتد. نتیجه‌گیری: مدل عددی به خوبی قادر به پیش¬بینی هیدروگراف سیلاب بر روی بستر متخلخل در محل سد و طول کانال پایین¬دست می¬باشد. مقایسه الگوی جریان بر روی بستر صلب و بستر متخلخل خشک با هندسه مشابه نشان داد که دبی جریان روی بستر متخلخل همواره کمتر از حالت مشابه با بستر صلب است. با افزایش قطر ذرات و در نتیجه افزایش نفوذپذیری بستر متخلخل، میزان پیشروی لبه موج و دبی جریان سیلابی و ارتفاع سطح آزاد جریان کاهش یافته است. با مقایسه الگوی جریان بر روی بستر متخلخل خشک و بستر متخلخل اشباع مشاهده شد دبی جریان، ارتفاع سطح آزاد جریان و مؤلفه افقی سرعت جریان در نزدیکی سطح بستر، روی بستر متخلخل اشباع همواره بیشتر از حالت مشابه بستر متخلخل خشک است. با افزایش عمق بستر متخلخل، میزان پیشروی لبه موج و دبی جریان سیلابی و ارتفاع سطح آزاد جریان کاهش یافته است. با پیشروی جریان در طول کانال مقادیر دبی پیک ثبت شده در ایستگاه¬ها کاهش یافته و در مدل¬های بستر خشک کاهش دبی پیک در راستای کانال بیشتر است. بیشترین مقادیر دبی پیک در انتهای کانال با بستر متخلخل، در حالت بستر متخلخل اشباع رخ داده است.
Supervisor:
SupervisorE-mail
صفرزاده, دکتر اکبرUNSPECIFIED
Advisor:
AdvisorE-mail
نوروزی, مهندس بهزادUNSPECIFIED
Subjects: Faculty of Engineering > Department of Civil Engineering
Divisions > Faculty of Engineering > Department of Civil Engineering
Divisions: Subjects > Faculty of Engineering > Department of Civil Engineering
Faculty of Engineering > Department of Civil Engineering
Date Deposited: 09 Jul 2019 11:36
Last Modified: 09 Jul 2019 11:36
URI: http://repository.uma.ac.ir/id/eprint/7649

Actions (login required)

View Item View Item