DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34352-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41535413
تاريخ النشر: 2026-01-14
المؤلف: Shihao Dong وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الجليد في القطب الشمالي والقطب الجنوبي
نظرة عامة
في أنهار المناطق الباردة، يؤثر تشكيل غطاء الجليد خلال الشتاء بشكل كبير على الظروف الهيدروليكية، وخاصةً زيادة النحت المحلي حول الهياكل الموجودة في مجرى الماء مثل أعمدة الجسور. استخدمت هذه الدراسة كل من الطرق التجريبية والمحاكاة العددية للتحقيق في خصائص التدفق وعمق النحت المحلي الأقصى تحت ظروف القناة المفتوحة والمغطاة بالجليد مع اختلاف الخشونة. تشير النتائج إلى أنه تحت تدفق الجليد الخشن، يؤدي الجمع بين زيادة إجهاد القص على القاع وزيادة الطاقة الحركية المضطربة إلى عمق نحت أقصى أكبر حول العمود. ومع ذلك، عندما يصل نسبة خشونة غطاء الجليد إلى خشونة القاع إلى 1.9، يتناقص زيادة عمق النحت بسبب زيادة فقدان الطاقة من غطاء الجليد الخشن.
لنمذجة النحت المحلي حول العمود في كلا حالتي التدفق، طور الباحثون نموذجًا عدديًا يدمج نموذج الاضطراب RNG k-ε مع معادلة نقل الرواسب Meyer-Peter. كما تم اقتراح صيغة جديدة لتقدير عمق النحت المحلي الأقصى مع الأخذ في الاعتبار سيناريوهات مختلفة لخشونة غطاء الجليد. تشير المقارنات مع الصيغ الموجودة إلى أن هذه الصيغة الجديدة توفر دقة متفوقة، مما يجعلها مرجعًا قيمًا لتصميم أساسات الجسور في المناطق المتأثرة بالجليد.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث التأثير الكبير لغطاء الجليد على ديناميات الأنهار في المناطق الباردة ذات خطوط العرض العالية، وخاصة فيما يتعلق بالنحت المحلي حول أعمدة الجسور. يغير غطاء الجليد توزيع سرعة التدفق، ويزيد من الطاقة الحركية المضطربة بالقرب من قاع النهر، ويزيد من إجهاد القص على القاع، مما يمكن أن يؤدي إلى تفاقم النحت حول الهياكل الموجودة في مجرى الماء. هذه الظاهرة حاسمة حيث أن النحت المحلي هو أحد الأسباب الرئيسية لعدم استقرار الجسور. تسلط الورقة الضوء على الدراسات السابقة التي ركزت بشكل أساسي على النحت في ظروف التدفق في القناة المفتوحة، مشيرة إلى أن وجود الجليد يعقد نقل الرواسب وديناميات النحت بسبب التغيرات في خشونة القناة وخصائص التدفق.
تُلخص النتائج الرئيسية من دراسات مختلفة، مشيرة إلى أن غطاء الجليد يمكن أن يزيد عمق النحت الأقصى بشكل كبير مقارنةً بظروف التدفق المفتوحة. على سبيل المثال، أظهرت الأبحاث أن سرعة العتبة لبدء الرواسب أقل تحت ظروف مغطاة بالجليد، ويمكن أن يزيد عمق النحت الأقصى بنسبة 20%-30% مع وجود الجليد. بالإضافة إلى ذلك، تلعب خشونة غطاء الجليد دورًا حاسمًا، حيث يؤدي الجليد الخشن إلى عمق نحت أكبر. تؤكد الورقة على الحاجة إلى تحسين النماذج التنبؤية لعمق النحت تحت ظروف مغطاة بالجليد، حيث أن الصيغ التجريبية الحالية غالبًا ما لا تأخذ في الاعتبار التعقيدات التي يقدمها اختلاف خشونة غطاء الجليد. تهدف الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال استخدام المحاكاة العددية والطرق التجريبية لتحليل تأثيرات خشونة غطاء الجليد على ديناميات التدفق وعمق النحت، مما يسهم في تصميم جسور أكثر أمانًا في المناطق الباردة.
طرق
في هذه الدراسة، تم إجراء تجارب في قناة قياس 26.68 م في الطول، 0.4 م في العرض، و1.3 م في العمق للتحقيق في تأثيرات خشونة غطاء الجليد على هيكل التدفق وعمليات النحت المحلي حول الأعمدة. تم محاكاة نوعين من أغطية الجليد: غطاء ناعم مصنوع من ألواح ستيروفوم وغطاء خشن تم إنشاؤه عن طريق لصق مكعبات ستيروفوم (30 مم × 30 مم × 30 مم) مع تباعد 30 مم. تم تحديد خشونة غطاء الجليد، الممثلة بـ $k_s$، باستخدام نهج قانون الجدار اللوغاريتمي، حيث تم نمذجة السرعة المتوسطة $U_a$ على بعد $y$ من سطح غطاء الجليد بواسطة المعادلة:
\[
U_a = (u^* \kappa) \ln y + (u^* \kappa) \ln (30 k_s)
\]
كانت القيم المحسوبة لـ $k_s$ هي 0.0307 م للجليد الناعم و0.0056 م للجليد الخشن، مما أدى إلى معاملات مانينغ تبلغ 0.016 و0.022، على التوالي. تتماشى هذه النتائج مع الدراسات السابقة، مما يشير إلى أن الطريقة التجريبية توفر تقديرات موثوقة لمعاملات خشونة مانينغ، خاصة لأغطية الجليد الشتوية.
تم قياس توزيعات سرعة التدفق باستخدام مقياس تيار من نوع المروحة، مع خطأ قياس نسبي قدره 5%. تم حساب معامل مانينغ للقاع ($n_b$) باستخدام المعادلة:
\[
n_b = 0.039 d_{50}^{1/6}
\]
استخدمت هذه الدراسة تقنية FAVOR لمحاكاة الأشكال الهندسية المعقدة، والتي تقدم دقة هندسية محسنة ووقت حسابي أقل مقارنةً بأساليب الفرق المحدود التقليدية (FDM). بشكل عام، تؤكد النتائج على التأثير الكبير لخشونة غطاء الجليد على السلوك الهيدروليكي تحت ظروف التدفق المغطاة بالجليد.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط واضح بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. يتم تقديم مقاييس محددة، مثل قيم p وفترات الثقة، لدعم الادعاءات، مما يظهر أن التأثيرات الملحوظة ليست نتيجة للصدفة العشوائية.
بالإضافة إلى ذلك، يتم توضيح النتائج من خلال أشكال وجداول متنوعة، والتي تلخص الاتجاهات والأنماط المحددة في البيانات. تسهل هذه التمثيلات المرئية فهمًا أعمق لتداعيات النتائج، مما يسمح بتفسير شامل للنتائج في سياق الأسئلة البحثية المطروحة. بشكل عام، يبرز القسم أهمية النتائج في المجال الأوسع للدراسة، مما يقترح طرقًا محتملة للبحث المستقبلي بناءً على النتائج الملاحظة.
مناقشة
في هذا القسم، يتم وضع المعادلات الحاكمة للسوائل النيوتونية غير القابلة للانضغاط، من خلال معادلات نافير-ستوكس المتوسطة Reynolds ومعادلة الاستمرارية. تستخدم الدراسة نماذج اضطراب مختلفة، بما في ذلك k-ε، RNG k-ε، ومحاكاة الدوامة الكبيرة (LES)، لمحاكاة أعماق النحت المحلي حول أعمدة الجسور. تشير النتائج إلى أن نماذج RNG k-ε وLES توفر توقعات أكثر دقة مقارنةً بالنماذج الأخرى، حيث تعطي معادلة Meyer-Peter أقل خطأ نسبي في تقدير عمق النحت المحلي الأقصى. تؤكد الدراسة على أهمية نمذجة نقل الرواسب وإجهاد القص على القاع بدقة، وهو أمر حاسم لفهم آليات النحت.
تم التحقق من المحاكاة العددية، التي بلغت 38، مقابل البيانات التجريبية تحت ظروف تدفق متغيرة، بما في ذلك السيناريوهات المفتوحة، المغطاة بالجليد الناعم، والمغطاة بالجليد الخشن. تكشف النتائج أن التغيرات في خشونة غطاء الجليد تؤثر بشكل كبير على خصائص التدفق، مما يغير نقطة السرعة القصوى ويزيد من إجهاد القص على القاع والطاقة الحركية المضطربة (TKE) بالقرب من قاع النهر. تم تطوير صيغة انحدار للتنبؤ بعمق النحت المحلي الأقصى، مع الأخذ في الاعتبار تأثيرات خشونة غطاء الجليد، مما يظهر دقة محسنة مقارنةً بالنماذج الموجودة. حدد تحليل الحساسية رقم فريد التدفق كأكثر المعلمات تأثيرًا على توقعات عمق النحت، مما يبرز ضرورة أخذ خشونة غطاء الجليد في تصميم الجسور للتخفيف من مخاطر النحت بشكل فعال.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-34352-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41535413
Publication Date: 2026-01-14
Author(s): Shihao Dong et al.
Primary Topic: Arctic and Antarctic ice dynamics
Overview
In cold-region rivers, the formation of ice cover during winter significantly alters hydraulic conditions, particularly increasing local scour around in-stream structures like bridge piers. This study utilized both experimental methods and numerical simulations to investigate flow characteristics and maximum local scour depth under open-channel and ice-covered conditions with varying roughness. The results indicate that under rough ice-covered flow, the combination of heightened bed shear stress and increased turbulent kinetic energy leads to greater maximum scour depths around the pier. However, when the ratio of ice cover roughness to bed roughness reaches 1.9, the increase in scour depth diminishes due to enhanced energy dissipation from the rough ice cover.
To model local scour around the pier in both flow conditions, the researchers developed a numerical model that integrates the RNG k-ε turbulence model with the Meyer-Peter sediment transport equation. A new formula was also proposed to estimate maximum local scour depth considering different ice cover roughness scenarios. Comparisons with existing formulas indicate that this new formula provides superior accuracy, serving as a valuable reference for designing bridge foundations in regions affected by ice.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significant impact of ice covers on river dynamics in high-latitude cold regions, particularly concerning local scour around bridge piers. Ice cover alters flow velocity distribution, increases turbulent kinetic energy near the riverbed, and elevates bed shear stress, which can exacerbate scour around in-stream structures. This phenomenon is critical as local scour is a leading cause of bridge instability. The paper highlights previous studies that have primarily focused on scour in open-channel flow conditions, noting that the presence of ice complicates sediment transport and scour dynamics due to changes in channel roughness and flow characteristics.
Key findings from various studies are summarized, indicating that ice cover can increase maximum scour depth significantly compared to open flow conditions. For instance, research has shown that the threshold velocity for sediment initiation is lower under ice-covered conditions, and the maximum scour depth can increase by 20%-30% with the presence of ice. Additionally, the roughness of the ice cover plays a crucial role, with rough ice leading to greater scour depths. The paper emphasizes the need for improved predictive models for scour depth under ice-covered conditions, as existing empirical formulas often do not account for the complexities introduced by varying ice cover roughness. The study aims to fill this gap by employing numerical simulations and experimental methods to analyze the effects of ice cover roughness on flow dynamics and scour depth, ultimately contributing to safer bridge design in cold regions.
Methods
In this study, experiments were conducted in a flume measuring 26.68 m in length, 0.4 m in width, and 1.3 m in depth to investigate the effects of ice cover roughness on flow structure and local scour processes around piers. Two types of ice covers were simulated: a smooth cover made from Styrofoam panels and a rough cover created by attaching Styrofoam cubes (30 mm × 30 mm × 30 mm) with 30 mm spacing. The roughness of the ice cover, denoted as $k_s$, was determined using a logarithmic wall law approach, with the average velocity $U_a$ at a distance $y$ from the ice cover surface being modeled by the equation:
\[
U_a = (u^* \kappa) \ln y + (u^* \kappa) \ln (30 k_s)
\]
The calculated values for $k_s$ were 0.0307 m for smooth ice and 0.0056 m for rough ice, leading to Manning coefficients of 0.016 and 0.022, respectively. These findings align with previous studies, indicating that the experimental method yields reliable estimates of Manning roughness coefficients, particularly for winter ice covers.
Flow velocity distributions were measured using a propeller-type current meter, with a relative measurement error of 5%. The bed Manning coefficient ($n_b$) was calculated using the equation:
\[
n_b = 0.039 d_{50}^{1/6}
\]
This study utilized the FAVOR technique for simulating complex geometries, which offers improved geometric resolution and reduced computational time compared to traditional Finite Difference Methods (FDM). Overall, the results underscore the significant influence of ice cover roughness on hydraulic behavior under ice-covered flow conditions.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicates a clear correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specific metrics, such as p-values and confidence intervals, are provided to substantiate the claims, demonstrating that the observed effects are not due to random chance.
Additionally, the results are illustrated through various figures and tables, which encapsulate the trends and patterns identified in the data. These visual representations facilitate a deeper understanding of the implications of the findings, allowing for a comprehensive interpretation of the results in the context of the research questions posed. Overall, the section underscores the relevance of the findings to the broader field of study, suggesting potential avenues for future research based on the outcomes observed.
Discussion
In this section, the governing equations for incompressible Newtonian fluids are established, specifically through the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations and the continuity equation. The study employs various turbulence models, including k-ε, RNG k-ε, and Large Eddy Simulation (LES), to simulate local scour depths around bridge piers. The results indicate that the RNG k-ε and LES models provide more accurate predictions compared to other models, with the Meyer-Peter equation yielding the smallest relative error in estimating maximum local scour depth. The study emphasizes the importance of accurately modeling sediment transport and bed shear stress, which are critical for understanding scour mechanisms.
The numerical simulations, totaling 38, were validated against experimental data under varying flow conditions, including open, smooth ice-covered, and rough ice-covered scenarios. The findings reveal that variations in ice cover roughness significantly affect flow characteristics, shifting the maximum velocity point and increasing bed shear stress and turbulent kinetic energy (TKE) near the riverbed. A regression formula was developed to predict maximum local scour depth, incorporating the effects of ice cover roughness and demonstrating improved accuracy over existing models. Sensitivity analysis identified the flow Froude number as the most influential parameter on scour depth predictions, underscoring the necessity of considering ice cover roughness in bridge design to mitigate scour risks effectively.