بررسی آزمایشگاهی کاربرد ذره هوشمند در توصیف احتمالاتی دینامیک انتقال رسوب بستر بعد از آستانه

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 گروه علوم و مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد

2 هیئت علمی/ گروه علوم و مهندسی آب دانشگاه فردوسی مشهد

3 عضو هیئت علمی گروه مهندسی عمران و محیط زیست، دانشکده مهندسی، دانشگاه گلسگو

4 عضو هیئت علمی دانشکدة مهندسی آب و خاک، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

در این پژوهش از یک ذره کروی پیش ساخته (با چگالی‌های متفاوت) که با حسگرهای میکروالکترومکانیکال تجهیز شده است (ذره هوشمند) برای برداشت داده‌های شتاب، چرخش و جهت ذره، هنگام انتقال در مجاورت بستر تحت جریان آب در فواصل زمانی بسیار کوتاه (004/0 ثانیه در این پژوهش) بهره گرفته شد. در این راستا یک سری آزمایش با دبی‌های مختلف که شرایط انتقال ضعیف (نزدیک آستانه) و انتقال قوی (بعد از آستانه با اعداد رینولذر به نسبت بزرگتر) در آن پوشش داده شده است انجام گرفت. انرژی جنبشی ذره به عنوان انرژی تبادل یافته بین ذره با پیرامون (جریان آب، ارتباط ذره با ذرات بستر) مورد بررسی قرار گرفت. بررسی میزان دریافت و هدررفت لحظه‌ای انرژی ذره نشان داد که تغییرات تبادل انرژی با افزایش عدد رینولدز ذره به صورت نمایی کاهش می‌یابد. توابع توزیع احتمالاتی حاکم بر انرژی جنبشی ذره تولید و بر اساس نتایج مشخص شد که تابع توزیع احتمالاتی ویبول در شرایط آستانه و تابع توزیع احتمالاتی لوگ‌نرمال در شرایط انتقال قوی‌تر، رفتار ذره را بهتر توصیف می‌نماید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Smart-particle application for describing the probabilistic particle transport dynamics above threshold conditions

نویسندگان [English]

  • Hamed Farhadi 1
  • kazem Esmaili 2
  • Manousos Valyrakis 3
  • Abdolreza Zahiri 4
1 Water Science and Engineering dept. Agriculture faculty. Ferdowsi University of Mashhad
2 Associate Professor . Water Science and Engineering Dept. Ferdowsi university of mashhad
3 Associate Prof., School of Engineering, University of Glasgow, Glasgow, United Kingdom
4 Associate Prof, Water Engineering Department, Gorgan University of agricultural sciences and natural resources, Gorgan, Iran
چکیده [English]

Coarse particle motion behavior plays a crucial role in sediment and hydraulic engineering, though its physics is still not fully understood. Disregarding the inherently stochastic nature of the sediment transport leads to various equations for bedload transport which are now being challenged due to their poor results. Applying sensors, like accelerometers and gyroscopes, particle transport physics could carry out in a more scrutinized approach. In this study, an instrumented synthetic particle ("so-called" the smart particle) was designed and applied (with different densities) in sets of laboratory experiments that covered a hydraulics domain between low transport regime (near- and above-threshold) and higher transport regime (above threshold with a relatively high Reynolds number) conditions. Using the instrumented particle (smart-particle) could bring opportunities to learn more about the physics of the bed particle transport in rivers for different regimes and could bring data in hand for instantaneous particle changes throughout the time (hear 0.004 seconds used for data sampling). Therefore, the Kinetic energy as a parameter that delivers the behavior of particle energy interaction between the exposed particle with its surroundings (flow and the bed particles) was chosen to be studied. Since the dynamic features of the particle in transport are stochastic, the probability distribution functions which could describe the particle behavior were selected (Weibull, Lognormal, Normal, and Gamma distributions). In this case, it was shown that the Weibull distribution best describes the particle kinetic energy in lower transport regimes, while for a higher transport regime, the Log-normal distribution works better. Furthermore, the energy signals of the particle moving throughout the flume for different transport regimes were derived, and it was shown that the average energy gain and loss of the particle decrease exponentially as the particle Reynolds number increases. The results presented here could also be applied in similar hydraulic conditions in eco-hydraulic topics, specifically macro-plastic movement as bedload in river courses and the Aeolian research.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Sediment transport
  • Smart-particle
  • Stochastic behavior of particle motion
  • transport dynamics