مدل سازی عددی دو بعدی جریان ناشی از شکست سد در حضور موانع

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی عمران، واحد زنجان، دانشگاه آزاد اسلامی، زنجان، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی عمران، دانشگاه غیاث‌الدین جمشید کاشانی، قزوین، ایران

چکیده

در این پژوهش، مدلی عددی به‌منظور شبیه‌سازی جریان ناشی از شکست سد در حضور موانع ارائه شد. مدل پیشنهادی، معادلات آب‌های کم‌عمق متوسط­گیری شده در عمق را به روش حجم محدود به شکل ضمنی شبه‌لاگرانژی تقریب زده و جهت ردیابی خط سیر ذره، روش صریح و چهار گامی با دقت درجه چهار رانگ-کوتا استفاده شد. شرایط مرزی تشعشعی در مرزهای باز اعمال شده و مدل، مرز خشک و تر را به‌طور خودکار محاسبه نمود. جهت اثبات دقت مدل پیشنهادی، ابتدا حل به‌دست‌آمده از این مدل با نتایج حل تحلیلی مسئله شکست سد مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج در انطباق مناسبی با حل تحلیلی بود. سپس نتایج شبیه‌سازی جریان ناشی از شکست سد در حضور یک مانع مربعی و چهار مانع مربعی با نتایج عددی سایر پژوهشگران مقایسه شد. در نهایت نتایج مدل‌سازی جریان شکست سد در برخورد با یک شهر ایده­ال به­صورت یک طرح مربعی 5×5 از ساختمان‌ها مورد بررسی قرار گرفت. در همه بررسی‌ها موانع غیرمستغرق و مطابق با جهت جریان نزدیک شونده بودند. نتایج نشان داد که مدل توسعه‌یافته از دقت قابل‌قبولی در شبیه‌سازی جریان گذرا در هندسه‌های پیچیده برخوردار بوده و به‌خوبی توانست ارتفاع و سرعت امواج ناشی از واقعه شکست سد را در حضور موانع پیش‌بینی کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

2D Numerical Modeling of Dam Break flow in the Presence of Obstacles

نویسندگان [English]

  • Hamed Sarveram 1
  • Mehdi Shahrokhi 2
1 Assist. Professor, Department of Civil Engineering, Zanjan Branch, Islamic Azad University, Zanjan, Iran
2 Assist. Professor, Department of Civil Engineering, Ghiaseddin Jamshid Kashani University, Ghazvin, Iran
چکیده [English]

In this research, a numerical model was developed to simulate dam break flow in the presence of obstacles. The proposed model approximated the equations of moderately shallow water averaged at the finite volume method by implicit semi-Lagrangian method and the explicit and four-steps Runge-Kutta method with the fourth order accuracy was used to departure point determination. Radiation boundary conditions was applied to open boundaries and the model calculated the wet/dry boundary automatically. To demonstrate the accuracy of the proposed model, first, the solution obtained by this model was compared with analytical solution of dam break problem. Results were in good agreement with analytical solution. Then, the modeling results of dam break flow, in the presence of a square obstacle and four square obstacles, was compared with other researcher numerical model results. Finally, modelling results of dam break flow through an idealized city (a square city layout of 5×5 buildings) were investigated. In each experiment, the obstacles were non submerged and aligned with the approach flow direction. The results showed that the developed model had an acceptable accuracy at transient flow simulation in complex geometries and could appropriately predict the waves height and waves celerity caused by a dam break event in the presence of obstacles.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dam Break
  • obstacle
  • Runge-K
  • Semi-lagrangian
  • Shallow water equation
Barrett, R. M. and Berry, T. F. (1994). Templates for the Solution of Linear Systems: Building Blocks for Iterative Methods, SIAM, Philadelphia.
Di Cristo, C., Greco, M., Iervolino, M. and Vacca, A. (2021). Impact Force of a Geomorphic Dam-Break Wave against an Obstacle: Effects of Sediment Inertia. Water, 13, 232, 1-20. DOI: 10.3390/w13020232.
Di Cristo, C., Greco, M., Lervolino, M. and Vacca, A. (2020). Interaction of a dam-break wave with an obstacle over an erodible floodplain. J. Hydroinfo., 22(1), 5-19. DOI:10.2166/hydro.2019.014
Erpicum, S., Archambeau, P., Dewals, B. J., Ernst, J. and Pirotton, M. (2009). Dam-break flow numerical modeling considering structural impacts on buildings. 33rd IAHR Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment, Vancouver, British Columbia, Canada.
Ishigaki, T., Toda, K., and Inoue, K. (2003). Hydraulic model tests of inundation in urban area with underground space. Proceedings of the 30th IAHR Congress AUTh, Greece, B, 487–493.
Issakhov, A. and Zhandaulet, Y. (2021). Numerical study of dam-break fluid flow using volume of fluid (VOF) methods for different angles of inclined planes. Simulation. DOI:10.1177/00375497211008497.
Issakhov, A., Zhandaulet, Y., and Nogaeva, A. (2018). Numerical simulation of dam break flow for various forms of the obstacle by VOF method. Int. J. Multiphase Flow, 109, 191-206. DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2018.08.003.
Liang, Q. (2012). A simplified adaptive Cartesian grid system for solving the 2D shallow water equations. Int. J. Numer. Meth. Fluids, 69, 442-458. DOI: 10.1002/fld.2568
Liu, H., Zhou, J. G. and Burrows, R. (2010). Lattice Boltzmann simulations of the transient shallow water flows. Adv. Water Resour. 33, 387–396. DOI: 10.1016/j.advwatres.2010.01.005
Nanía, L. S., Gómez, M. and Dolz, J. (2004). Experimental study of the dividing flow in steep street crossings. J. Hydr. Res. 42(4), 406–412. DOI: 10.1080/00221686.2004.9728406
Orlanski, I. (1976). A simple boundary condition for unbounded hyperbolic flows. J. Comput. Phys., 21(3), 251–269. DOI: 10.1016/0021-9991(76)90023-1
Rivière, N. and Perkins, R. J. (2004). Supercritical flow in channel intersections. In: Proceedings of the River Flow Conference, Greco, M., Carravetta, A., Della Morte, R. (eds), 2, Balkema, Netherlands, 1073–1078.
Shabayek, S., Steffler, P. and Hicks, F. (2002). Dynamic model for subcritical combining flows in channel junctions. J. Hydr. Eng. 128(9), 821–828. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9429(2002)128:9(821)
Soares-Frazão, S. and Zech, V. (2008). Dam-break flow through an idealised city. J. Hydraul. Res., 46(5), 648–658. DOI: 10.3826/jhr.2008.3164.
Soares-Frazão, S. and Zech, Y. (2007). Experimental study of dam break flow against an isolated obstacle. J. Hydr. Res. 45(Extra Issue), 27–36. DOI: 10.1080/00221686.2007.9521830
Stoker, J. J. (1957). Water waves. New York: Interscience Publishers.
Street, L., Watters, Z. and Vennard, K. (1996). Elementary Fluid Mechanics. John Wiley & Sons, New York, 7th edition.
Xu, X., Jiang, Y. L. and Yu, P. (2021). SPH simulations of 3D dam-break flow against various forms of the obstacle: Toward an optimal design. Ocean Eng., 229, 108-978. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2021.108978.
Zheng, C., Gordon, D. and Bennett, G. D. (1995). Applied contaminant transport modelling: theory and practice. Van Nostrand Reinhold, New York.