مقایسه خصوصیات جریان در مدل فیزیکی با نتایج مدل‌‌های ریاضی یک بعدی، شبه دوبعدی و دوبعدی در یک بازه رودخانه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار /مهندسی رودخانه، گروه مهندسی آب، دانشگاه ارومیه

2 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد /سازه های آبی، دانشگاه ارومیه

چکیده

کاربرد مدل‌های ریاضی در طرح‌های مهندسی رودخانه اجتناب ناپذیر است. با این وجود، نیاز حداقل به اطلاعات صحرایی، حجم محاسباتی اندک و درجه اعتماد مدل‌های ریاضی در رودخانه‌ها باید مورد نظر قرار گیرد. هدف اصلی در تحقیق حاضر، مقایسه نتایج شبیه سازی جریان پایدار از مدل‌های ریاضی شناخته شده با نتایج نظیر از یک مدل فیزیکی رودخانه ای بوده است. برای این منظور، مدل فیزیکی بستر ثابت یک بازه از رودخانه نازلو (با مقیاس افقی 1:100 و قائم 1:20) طراحی، ساخته و مطالعه گردید. برای شبیه‌سازی جریان، مدل ریاضی یک بعدی HEC-RAS، مدل شبه دو بعدی BRI-STARS، و مدل دو بعدی سطح افق FAST-2D انتخاب گردید. پارامترهای مشترک جریان برای پنج شدت جریان مختلف، در سه زیر بازه رودخانه‌ای (پایین دست پل، پل نازلو ، و بالادست پل)، در شرایط اولیه و مرزی مشترک مقایسه گردید. بطورکلی در بازه مورد مطالعه، این سه مدل بترتیب تطابق بهتری را با مدل فیزیکی داشته‌اند. متوسط خطای نسبی برآورد جریان از سه مدل فوق بطور نمونه برای ارتفاع سطح آب بترتیب 8/1، 2/2 و 5/5 درصد؛ و برای سرعت متوسط 2/10، 0/9 و 6/12 درصد بوده است. در طرح‌های رودخانه‌ای، کاربری هریک از سه مدل فوق با توجه به محدوده اطمینان ارائه شده در این بررسی توصیه می‌گردد. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Comparison of Flow Characteristics in a Physical Model with 1D, Quasi-2D, and 2D Numerical Models in a River Reach

نویسندگان [English]

  • M Yasi 1
  • B Azizpanah 2
1 Associate Professor of River Engineering, Urmia University, Urmia, Iran
2 M.S Graduate, Hydraulic Structures, Urmia University, Urmia, Iran
چکیده [English]

Numerical models are being used widely in river engineering projects. However, the reliability of these models, minimum field data requirement, and the optimal computational processes are of major concern. This study compares the simulated steady flow parameters from a well-known numerical models with that of a true river physical model. A fixed-bed model is developed for the nazloo river, IRAN, with horizontal scale of 1:100 and vertical scale of 1:20. Results from HEC-RAS (1D), BRI-STARS (quasi 2D), and FAST-2D (2D) were compared for corresponding flow parameters under similar initial and boundary conditions. This was made for five different flows in three sub-reaches along the river (i.e. downstream of a bridge, bridge reach, upstream of the bridge). The best adapted results were produced by HEC-RAS. BRI-STARS and FAST-2D models took the next ranks respectively. the averaged predictive errors were rated 1.8, 2.2, and 5.5 percent for water surface elevations and 10.2, 9, and 12.6 percent for mean velocities, respectively. The application of each model is recommended in river projects subject to the inclusion of the degree of certainties provided by the present study

کلیدواژه‌ها [English]

  • Physical Model
  • HEC-RAS model
  • BRI-STARS model
  • FAST-2D model
زندنیا، فرشید (1383)، "مقایسه خصوصیات جریان در شرایط بستر ثابت با دو مدل HEC-RAS و BRI-STARS و ارزیابی تغییرات بستر با مدل BRI-STARS در رودخانه‌های با بستر درشت دانه"، پایان نامه کارشناسی ارشد، رشته سازه‌های آبی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، 228 صفحه.
ماجدی اصل، مهدی (1384)، "مقایسه نتایج شبیه سازی خصوصیات جریان پایدار با مدل یک بعدی HEC-RAS و مدل دوبعدی FAST-2D در بازه رودخانه نازلو"، پایان نامه کارشناسی ارشد، رشته سازه‌های آبی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، 177 صفحه.
یاسی، مهدی (1384)، "طراحی، ساخت و مطالعه مدل فیزیکی طرح ساماندهی رودخانه نازلو- در بازه پل نازلو با استفاده از سازه آب شکن"، گزارش نهایی طرح پژوهشی، گروه آب، دانشگاه ارومیه، ارومیه، 110 صفحه.
ASCE )2000(, "Hydraulic modeling: concepts and practices", ASCE Manuals and Reports on Engineering Practices No. 97, ASCE, Virginia, USA, 580p.
Chen, Y.H., et al. (1985), "Salt river channelization project: model study", Journal of hydraulic engineering, ASCE, 111(2), pp. 267-283.
FHWA (2000),"BRI-STARS, Bridge stream tube model for alluvial river simulation", Users manual,Federal highway administration, U.S. Department of transportation, USA, 300p.
USACE (2002), "Hydraulic reference manual of HEC-RAS 3.1", U.S. Army Corps of Engineers (USACE), Washington D.C., USA, 320p.
Wenka, Th., et al. (1991), "Depth- average calculation of flow in river reaches with flood control and regulation structures", Proceedings of the 25th IAHR Congress, Tokyo, Japan, pp. 127-138.
Wright, N.G. (2001), "Conveyance implications for 2-D and 3-D modeling", Report prepared for HR Wallingford and the Environmental Agency, U.K., 40p.
Wu, S. and Rajaratnam, N. (2000),"A simple method for measuring shear stress on rough boundaries", Journal of Hydraulic Research, 38(5), pp. 399-400
Yasi, M. (1997), "Flow and bed geometry behind a groyne", Ph.D. Thesis, Dept. of Civil Engineering, monash university, Melbourne, Australia, 300p.
Zhu, J. (1991),"FAST-2D: A computer program for numerical simulation of 2d in compressible flows with complex boundaries," Report No. 690, University of Karlsruhe, Germany, 60p.