برگزاری دفاعیه دکتری مهندس حمید هوشنگی

چکیده این رساله به شرح زیر می‌باشد:
ناپایداری و تخریب موج­‌شکن­‌ها در اثر بروز پدیده­ آبشستگی، هزینه زیادی را برای ترمیم یا جایگزینی این سازه­‌ها ایجاد می‌­نماید. اندرکنش توام دو فاز سیال و رسوب با دینامیک و خصوصیات متفاوت در وقوع این پدیده، مطالعه آن را به صورت یک محیط دوفازه بسیار ضروری می­‌سازد. مدل­‌سازی برخورد بین ذرات رسوب، برخورد ذرات رسوب و دیواره‌­ها و تنش‌­های بین آنها، نقش مهمی در شبیه‌­سازی عددی مکانیزم آبشستگی دارد. برای در نظر گرفتن برخوردها و تنش­‌‌های موجود در میدان فاز رسوب، نیاز به توسعه مدلی بر اساس دیدگاه لاگرانژی است که توانایی شبیه‌‌­سازی جریان‌­های ذره­‌ای محیط گسسته فاز رسوب را داشته باشد. همچنین، ترکیب مدل لاگرانژی فاز رسوب با یک مدل لاگرانژی برای شبیه­‌سازی فاز سیال که تبادل مناسبی از اندازه حرکت بین فاز‌ها را برقرار نماید، بسیار ضروری است. عدم استفاده از شبکه‌­بندی در این گونه از مدل‌­سازی، مشکلاتی نظیر حل مسائل با هندسه­‌های پیچیده و جریان­‌های با سطح آزاد را تسهیل می‌­کند. علاوه بر آن، مدل دوفازه ذره­‌ای بر اساس دیدگاه لاگرانژی، با انعطاف‌­پذیری بالای خود، قابلیت ترکیب بهتری را با یکدیگر داشته و در نظر گرفتن اندرکنش بین فاز‌ها در آن آسان‌­تر صورت می­‌گیرد. بنابراین، توسعه و استفاده از یک مدل لاگرانژ-لاگرانژی بر اساس روش­‌های عددی ذره‌­ای، رویکرد بسیار خوبی در شبیه­‌سازی و مطالعه مکانیزم پدیده آبشستگی با جریان‌­های سطح آزاد و جریان‌­های ذره­‌ای رسوبات است.
در این تحقیق برای اولین بار، با توسعه یک مدل عددی دوفازه­ لاگرانژ-لاگرانژی، فرآیند وقوع پدیده آبشستگی در پای موج‌­شکن­های قائم و شیبدار به صورت دوبعدی و سیستماتیک مطالعه شده است. در مدل دوفازه حاضر، فاز سیال از طریق حل معادلات بقای جرم و اندازه حرکت (ناویر-استوکس) به کمک توسعه یک روش ذره‌­ای لاگرانژی بنام هیدرودینامیک ذرات هموار تراکم‌­پذیر ضعیف[i] به همراه یک مدل آشفتگی با مقیاس تحت ذره‌­ای[ii] ارائه گردیده است. فاز رسوب نیز توسط حل معادلات نیوتن به کمک توسعه یک روش ذره‌­ای لاگرانژی بنام شبیه ساز بستر متحرک[iii]‌ بر مبنای روش المان مجزا[iv] ارائه شده است. برخورد ذرات به یکدیگر و دیواره‌ها و تنش­‌های موجود بین آنها به صورت برخورد نرمال و اصطکاکی نرم از طریق اعمال سیستم فنر-میراگر[v] در نظر گرفته شده است. اندرکنش بین دو فاز سیال و رسوب نیز به صورت نیرویی با لحاظ نیروهای دراگ، لیفت، شناوری و جرم افزوده (اینرسی) انجام گرفته است. برای اعمال اندرکنش بین فاز‌ها، از مولفه­‌های سرعت جریان‌­های چرخشی انتقال جرم استفاده شده که زمان و حجم بالای محاسبات عددی را بسیار کاهش داده است.
در این تحقیق، تاثیر پارامترهای موثر بر پدیده آبشستگی نظیر تشکیل امواج ایستا در برابر موج‌­شکن­‌ها، شیب­‌های متفاوت دیواره موج‌­شکن، مشخصات متفاوت امواج برخوردی و مشخصات متفاوت مصالح بستر با ارائه دو معیار فیزیکی و عددی برای کنترل زمان تعادل آبشستگی در نظر گرفته شده و جهت ارزیابی عملکرد مدل دوفازه، نتایج شبیه‌­سازی عددی با نتایج آزمایشگاهی مورد صحت سنجی قرار گرفته است. ارزیابی‌­های انجام شده، گویای عملکرد مطلوب مدل حاضر در مدل‌­سازی آبشستگی در پای موج‌­‌شکن‌­‌های ساحلی و فراساحلی است. نتایج عددی حاکی از آن است که برای بستر با مصالح ریزدانه در مقابل موج‌­شکن قائم، با کاهش نسبت عمق آب به طول موج (عمق نسبی) زمان رسیدن به شرایط تعادل افزایش می­‌یابد. الگویی از جریان­‌های چرخشی همانند جریان چرخشی امواج ایستا در لایه ته‌­نشست رسوب در مقابل موج‌شکن قائم مشاهده می­‌‌گردد که ناشی از انتقال ممنتوم از لایه­‌های فوقانی است. با افزایش سرعت جریان­‌های چرخشی میزان انتقال جرم، نرخ رسوب­‌گذاری و طول حفره آبشستگی زیاد می­‌شود. از طرف دیگر، برای بستر با مصالح درشت دانه، الگوی آبشستگی در اثر تغییر شیب موج­‌شکن تفاوت زیادی را نشان می‌­دهد؛ کاهش شیب دیواره موج­‌شکن، موجب کاهش مقدار عمق آبشستگی و تغییر الگوی پروفیل بستر می­‌گردد. نتایج عددی نشان می‌­دهد که با کاهش شیب دیواره موج­‌شکن، زمان رسیدن به شرایط تعادل نیز کاهش می­‌یابد؛ بنابراین با توجه به نتایج حاصله، می‌­توان با ایجاد شیب در بدنه موج­‌شکن قائم از بروز آبشستگی در مقابل این نوع از سازه­‌های دریایی تا حد زیادی جلوگیری به عمل آورد.
واژه‌های کلیدی: مدل دوفازه، آبشستگی، موج‌­شکن­‌های قائم و شیبدار، WCSPH، MBS.

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

[i] Weakly Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH)
[ii] Sub-Particle Scale (SPS)
[iii] Movable Bed Simulator (MBS)
[iv] Distinct Element Method (DEM)
[v] Spring-Dashpot

رایانامه جهت ارتباط با دانشجوی فوق: hhoushangi59 AT gmail.com