3-4 شبيهسازي عددي27
3-4-1 معرفي نرمافزار Flow3D28
3-4-2 معادلات حاکم32
3-4-3 مدلهاي آشفتگي33
3-4-3-1 مدلهاي صفر معادلهاي35
3 -4-3-2 مدلهاي يک معادلهاي35
3-4-3-3 مدلهاي دو معادلهاي36
3-4-3-4 مدلهاي داراي معادله تنش36
3-4-4 شبيهسازي عددي مدل37

3-4-4-1 ترسيم هندسه مدل38
3-4-4-2 شبکه بندي حل معادلات جريان38
3-4-4-3 شرايط مرزي کانال40
3-4-4-4 خصوصيات فيزيکي مدل41
3-4-4- 5 شرايط اوليه جريان43
3-4-4-6 زمان اجراي مدل43
فصل چهارم: نتايج و بحث
4-1 مقدمه46
4-2 شبيهسازي هيدروليک جريان در حالت کف صلب46
4-2-1 واسنجي نرمافزار46
4-2-1-1 ارزيابي نرمافزارپ48
4-2-1-2 بررسي تأثير انقباض جانبي سازه ترکيبي سرريز – دريچه بر هيدروليک جريان54
فهرست مطالب
عنوان صفحه
4-3 شبيهسازي آبشستگي پاييندست جريان59
4-3-1 واسنجي نرمافزار59
4-3-1-1 ارزيابي نتايج نرمافزار61
فصل پنجم: پيشنهادها
5-1 مقدمه70
5-2 نتيجهگيري70
5-3 پيشنهادها71
منابع74
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 3- 1 محدوده آزمايشات انجام شده براي مدلسازي هيدروليک جريان25
جدول 3- 2 معرفي نرمافزار Flow3D28
ادامه جدول 3-229
جدول 3- 3 محدوده دادههاي به کار رفته جهت شبيهسازي آبشستگي38
جدول 3- 4 شرايط مرزي اعمال شده در نرمافزار40
جدول 3- 5 شرايط مرزي اعمال شده در نرمافزار41
جدول 3- 6 مدلسازيهاي انجام شده براي تعيين بهترين مقدار پارامترهاي مربوط به رسوب42
جدول 4- 1 نتايج آمارهاي خطا مربوط به فرمول (4-1)51
جدول 4- 2 نتايج حاصل از مدلسازي سازه ترکيبي همراه با انقباض جانبي براي نسبت دبيها55
جدول 4- 3 تأثير پارامتر عدد شيلدز بحراني بر حداکثر عمق آبشستگي60
جدول 4- 4 تأثير پارامتر ضريب دراگ بر حداکثر عمق آبشستگي60
جدول 4- 5 تأثير زاويه ايستايي بر حداکثر عمق آبشستگي61
جدول 4-6 تأثير پارامتر حداکثر ضريب تراکم مواد بستر بر حداکثر عمق آبشستگي61
جدول 4- 7 بهترين مقادير براي پارامترهاي مؤثر در شبيهسازي حفره آبشستگي61
جدول 4- 8 نتايج آمارهاي خطا مربوط به فرمول (4-4)65
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 1- 1 شماتيکي از جريان ترکيبي عبوري همزمان از روي سرريز و زير دريچه5
شکل 1- 2 آبشستگي موضعي پاييندست برخي از سازههاي هيدروليکي8
شکل 2- 1 جريان عبوري از سازه ترکيبي سرريز – دريچه مستطيل شکل با فشردگي جانبي12
شکل 2- 2 جريان عبوري از سازه ترکيبي سرريز- دريچه بدون فشردگي جانبي12
شکل 2- 3 نمايي از مدلهاي آزمايشگاهي جريان مستغرق و نيمه مستغرق (ساماني و مظاهري، 1386)14
شکل 2- 4 مدل شبيهسازي شده جريان و حفره آبشستگي جريان ترکيبي (اويماز، 1987)14
شکل 2- 5 فرآيند پر و خالي شدن حفره آبشستگي درحين برخي از آزمايشات (دهقاني و بشيري، 2010) 15
شکل 3- 1 نمايي از مدل آزمايشگاهي کانال با مقياس کوچک23
شکل 3- 2 مشخصات اجزاي فلوم آزمايشگاهي با مقياس کوچک24
شکل 3- 3 مدل فيزيکي سازه ترکيبي مورد استفاده در آزمايشات هيدروليک جريان25
شکل 3- 4 شماتيکي از جريان ترکيبي عبوري از سرريز و زير دريچه در بستر صلب26
شکل 3- 5 مدلسازي پرش هيدروليکي30
شکل 3- 6 مدلسازي جريان در قوس رودخانه30
شکل 3- 7 مدلسازي جريان عبوري از زير دريچه30
شکل 3- 8 مدلسازي جريان عبوري از روي سرريز با انقباض جانبي و بدون انقباض31
شکل 3- 9 مدلسازي آبشستگي پاييندست سازه31
شکل 3- 10 مشبندي يکنواخت در کانال با مقياس کوچک39
شکل 3- 11 مشبندي غير يکنواخت در راستاي طولي کانال با مقياس بزرگ40
شکل 3- 12 شرايط مرزي مورد استفاده در مدلسازي حالت بستر صلب40
شکل 3- 13 شرايط مرزي مورد استفاده در مدلسازي حالت بستر رسوب41
شکل 3- 14 نمودار تغييرات زماني حجم سيال در مدلسازي هيدروليک جريان43
شکل 3- 15 نمودار تغييرات زماني حجم سيال در مدلسازي حفره آبشستگي43
شکل 4- 1 مقايسه نتايج پروفيل سطح آب براي شبکهبنديهاي مختلف ميدان جريان با داده آزمايشگاهي46
شکل 4- 2 مقايسه پروفيل سطح آب در دو مدل تلاطمي k-? RNG و k-? و دادههاي آزمايشگاهي47
شکل 4- 3 مقايسه پروفيل سطح آب در مدل تلاطمي k-? RNG با دادههاي آزمايشگاهي49
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4-4 ارزيابي دقت مدل RNG k-? براي عمق جريان در بالادست و روي سازه ترکيبي سرريز- دريچه49
شکل 4- 5 نمايش چگونگي رابطه پارامترهاي بيبعد مؤثر بر جريان عبوري از سازه ترکيبي با نسبت دبي عبوري از روي سازه به دبي عبوري از زير دريچه (Qs / Qg)51
شکل 4- 6 نمودار تغييرات نسبت دبيهاي نرمافزار و مشاهداتي52
شکل 4- 7 مقايسه رابطه نسبت دبيها درسازه ترکيبي سرريز- دريچه با روابط تجربي براي تخمين دبي در سرريز و ريچه52
شکل 4- 8 توزيع مؤلفه طولي سرعت جريان عبوري از سازه ترکيبي در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-?53
شکل 4- 9 توزيع فشار جريان عبوري از سازه ترکيبي در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-?53
شکل 4- 10 الگوي جريان اطراف سازه ترکيبي سرريز – دريچه54
شکل 4- 11 توزيع تنش برشي کف در اطراف سازه ترکيبي سرريز – دريچه54
شکل 4- 12 شماتيکي از جريان عبوري از سازه ترکيبي داراي انقباض جانبي54
شکل 4-13 توزيع تنش برشي کف در اطراف سازه ترکيبي با انقباض جانبي55
شکل 4-14 مقايسه عمق جريان درعرض کانال دربلافاصله قبل از سازه براي ميزان انقباضهاي جانبي مختلف سازه رکيبي56
شکل 4-15 مقايسه عمق جريان در طول کانال براي ميزان انقباضهاي جانبي مختلف سازه ترکيبي56
شکل 4-16 توزيع مؤلفه طولي سرعت در زير سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض57
شکل 4-17 توزيع مؤلفه طولي سرعت روي سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض57

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل 4-18 توزيع مؤلفه عرضي سرعت در زير سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض58
شکل 4-19 توزيع مؤلفه عرضي سرعت روي سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض58
شکل 4- 20 مقايسه دقت شبيهسازي حفره آبشستگي با استفاده از مدلهاي مختلف آشفتگي59
شکل 4- 21 ارزيابي دقت نرمافزار براي عمق جريان در بالادست و روي سازه ترکيبي62
شکل 4- 22 ارزيابي دقت نرمافزار براي حداکثر عمق آبشستگي62
شکل 4- 23 شماتيکي از جريان ترکيبي عبوري از روي سرريز و زير دريچه در بستر متحرک63
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4- 24 نمايش چگونگي رابطه پارامترهاي بيبعد مؤثر بر جريان عبوري از سازه ترکيبي با نسبت دبي عبوري از روي سازه به دبي عبوري از زير دريچه (Qs/Qg) براي بستر رسوب64
شکل 4- 25 نمودار تغييرات نسبت دبيهاي نرمافزار و مشاهداتي65
شکل 4-26 توزيع مؤلفه طولي سرعت جريان در اطراف سازه ترکيبي66
شکل 4-27 الگوي جريان اطراف سازه ترکيبي سرريز – دريچه (الف. بردارهاي سرعت ب. خطوط جريان)66
شکل 4-28 توزيع تنش برشي در اطراف حفره آبشستگي پاييندست سازه ترکيبي سرريز- دريچه در ابتداي اجراي برنامه67
شکل 4- 29 مقايسه رابطه پارامترهاي بيبعد مؤثر بر جريان عبوري از سازه ترکيبي با نسبت دبي عبوري از روي سازه به دبي عبوري از زير دريچه (Qs/Qg) براي بستر رسوب و بستر صلب67
شکل 4-30 نمودار رابطه حداکثر عمق آبشستگي با نسبت دبيهاي عبوري از رو و زير سازه ترکيبي68

فصل اول
مقدمه
1-1- مقدمه
يكي از عمده‌ترين مشكلات سازه‌هايي از قبيل سرريزها، دريچه‌ها و حوضچه‌هاي آرامش كه در بالادست بسترهاي فرسايش‌پذير قرار دارند، آبشستگي در مجاورت سازه است كه علاوه‌بر تأثير مستقيم بر پايداري سازه، ممكن است باعث تغيير مشخصات جريان و در نتيجه تغيير در پارامترهاي طراحي سازه شود. به دليل پيچيدگي موضوع، اكثر محققين آن را به صورت آزمايشگاهي بررسي كردهاند كه با وجود تمام دستآوردهاي مهمي كه تاكنون در زمينه آبشستگي موضعي حاصل گرديده است، هنوز هم شواهد زيادي از آبشستگي گسترده در پاياب دريچه‌ها، سرريزها، شيب‌شكن‌ها، كالورت‌ها و مجاورت پايه‌هاي پل ديده مي‌شود كه مي‌تواند پايداري اين سازهها را با خطرات جدي مواجه كند.
پديده آبشستگي زماني اتفاق مي‌افتد كه تنش برشي جريان آب عبوري از آبراهه، از ميزان بحراني شروع حركت ذرات بستر بيشتر شود. تحقيقات نشان داده است كه عوامل بسيار زيادي بر آبشستگي در پايين‌دست سازه تأثيرگذار هستند كه از جمله آنها مي‌توان به اندازه و دانه‌بندي رسوبات، عمق پاياب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و … اشاره كرد (کوتي و ين1 (1976)، بالاچاندار2 و همکاران (2000)، کلز3 و همکاران (2001)، ليم و يو4 (2002)، فروک5 و همکاران (2006)، دي و سارکار6 (2006) و ساراتي7 و همکاران (2008)).
دريچهها و سرريزها به طور گسترده به منظور کنترل، تنظيم جريان و تثبيت کف، در کانالهاي باز مورد استفاده قرار ميگيرند. بر اثر جريان ناشي از جت عبوري از رو يا زير سازهها، امکان ايجاد حفره آبشستگي در پاييندست سازهها وجود دارد که ممکن است پايداري سازه را به خطر اندازد؛ بنابراين تعيين مشخصات حفره آبشستگي مورد توجه محققين هيدروليک جريان قرار گرفته است.
به منظور افزايش بهره‌وري از سازههاي پرکاربرد سرريزها و دريچهها، مي‌توان آنها را با هم ترکيب نمود به‌طوري‌که در يک زمان آب بتواند هم از روي سرريز و هم از زير دريچه عبور نمايد. با ترکيب سرريز و دريچه مي‌توان دو مشکل عمده و اساسي رسوب‌گذاري در پشت سرريزها و تجمع رسوب و مواد زائد در پشت دريچه‌ها را رفع نمود. در سازه ترکيبي سرريز- دريچه، شرايط هيدروليکي جديدي حاکم خواهد شد که با شرايط هيدروليکي هر کدام از اين دو سازه به‌تنهايي متفاوت است.
1-2 تعاريف
1-2-1 سرريزها
يکي از سازههاي مهم هر سد را سرريزها تشکيل ميدهند که براي عبور آب اضافي و سيلاب از سراب به پاياب سدها، کنترل سطح آب، توزيع آب و اندازهگيري دبي جريان در کانالها مورداستفاده قرار ميگيرد. با توجه به حساس بودن کاري که سرريزها انجام ميدهند، بايد سازهاي قوي، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند براي بهرهبرداري آمادگي داشته باشد.
معمولاً سرريزها را بر حسب مهمترين مشخصه آنها تقسيمبندي ميكنند. اين مشخصه ميتواند در رابطه با سازه كنترل و كانال تخليه باشد. بر حسب اينكه سرريز مجهز به دريچه و يا فاقد آن باشد به ترتيب با نام سرريزهاي كنترلدار و يا سرريزهاي بدون كنترل شناخته ميشوند.
1-2-2 دريچهها
دريچهها سازههايي هستند که از فلزات، مواد پلاستيکي و شيميايي و يا از چوب ساخته ميشوند. از دريچهها به منظور قطع و وصل و يا كنترل جريان در مجاري عبور آب استفاده ميشود و از لحاظ ساختمان به گونهاي ميباشند كه در حالت بازشدگي كامل عضو مسدود كننده كاملاً از مسير جريان خارج ميگردد.
دريچهها در سدهاي انحرافي و شبکههاي آبياري و زهکشي کاربرد فراوان دارند. همچنين براي تخليه آب مازاد کانالها، مخازن و پشت سدها به کار ميروند (نواک8 و همکاران، 2004).
دريچهها به صورت زير دستهبندي ميشوند:
بر اساس محل قرارگيري: دريچههاي سطحي و دريچههاي تحتاني. دريچه سطحي تحت فشار کم و دريچه تحتاني تحت فشار زياد قرار ميگيرند.
بر اساس کاري که انجام ميدهند: دريچههاي اصلي، تعميراتي و اضطراري. دريچه اصلي به طور دائم مورد بهرهبرداري قرار ميگيرند. براي تعميرات از دريچه تعميراتي و در زمان حوادث از دريچه اضطراري استفاده ميشود.
بر اساس مصالح بدنه: دريچههاي فولادي، آلومينيومي، بتني مسلح، چوبي و پلاستيکي. دريچه فولادي به خاطر استقامت زياد به صورت وسيع مورد استفاده قرار ميگيرد.
بر اساس نوع بهرهبرداري: دريچههاي تنظيم کننده دبي و دريچههاي کنترلکننده سطح آب
بر اساس مکانيزم حرکت: دريچههاي خودکار، هيدروليکي، مکانيکي، برقي و دستي. دريچه خودکار بر اساس نيروي شناوري و وزن دريچه و بدون دخالت انسان کار ميکند. دريچه هيدروليکي بر اساس قانون پاسکال عمل مينمايد. دريچه برقي از دستگاههاي برقي، دريچه مکانيکي با استفاده از قانون نيرو و بازو و بالاخره دريچه دستي به صورت ساده با دست جابهجا ميشوند.
بر اساس نوع حرکت: دريچههاي چرخشي، غلطان، شناور و دريچههايي که در امتداد يا در جهت عمود بر جريان حرکت مينمايند.
بر اساس انتقال فشار آب: دريچهها ممکن است فشار را به طرفين يعني به پايههاي پل يا به تکيهگاهها منتقل نمايند و يا ممکن است نيروي فشار آب بر کف منتقل شود و يا ممکن است نيروي فشار آب به هر دو يعني هم تکيهگاهها و هم بر کف منتقل شود.
1-2-3 سازه ترکيبي سريز – دريچه
تركيب سرريز – دريچه يكي از انواع سازههاي هيدروليكي ميباشد كه در سالهاي اخير عمدتاً براي عبور سيال در مواردي كه سيال حاوي سرباره و رسوب به صورت همزمان ميباشد (مانند كانال عبور فاضلاب) بكار رفته است. سازه ترکيبي سرريز – دريچه با تقسيم دبي عبوري از بالا و پايين خود از انباشت سرباره و رسوب در پشت سازه جلوگيري ميكند. از ديگر كاربردهاي عملي اين تركيب، ميتوان انواع سدهاي تأخيري را نام برد. در سدهاي تأخيري براي جلوگيري از انباشت رسوب در پشت سد كه منجر به كاهش حجم مفيد مخزن ميگردد اقدام به تعبيه تخليهكنندههاي تحتاني ميگردد. از طرف ديگر اين نوع سدها به علت برآورد اهداف طراحي و عبور سيلابهاي محتمل به صورت روگذر نيز عمل ميكنند كه از اين دو جهت، مدل تركيبي سرريز – دريچه ايده مناسبي براي تحليل اين نوع سدها ميباشد. اگرچه اين نوع سازه داراي كاربرد فراواني در سازههاي هيدروليكي ميباشد.
جهت به حداقل رساندن مشكلات در سرريزها و دريچه‌ها و همچنين جهت بالا بردن مزاياي آنها مي‌توان از سازه تركيبي سرريز – دريچه استفاده كرد به طوري كه در يك زمان، جريان آب بتواند هم از روي سرريز و هم از زير دريچه عبور نمايد. اين وسيله تركيبي مي‌تواند مشكلات ناشي از فرسايش و رسوبگذاري را مرتفع نمايد (دهقاني و همكاران، 2010).
همچنين با اين روش، رسوبات و مواد زائد در پشت سرريزها انباشته نمي‌‌‌شوند (ماخرک، 1985).
مشكلاتي را كه در اثر وجود مواد رسوبي يا شناور در آب انتقالي براي آبياري حاصل مي‌شود، مي‌توان با استفاده از سازه تركيبي سرريز – دريچه به مقدار زيادي كاهش داده که امكان اندازه‌گيري دقيق‌تر و ساده‌تر را به همراه دارد ( اسماعيلي و همكاران، 1385).
سيستم سرريز – دريچه امکان عبور جريان را از پايين و بالاي يک مانع افقي در قسمت مياني مجرا به طور همزمان فراهم نموده، بدين صورت که مواد قابل رسوب را در پشت دريچه به صورت زيرگذر و مواد شناور را به صورت روگذر سرريز عبور ميدهد (شکل 1- 1).
شکل 1- 1 شماتيکي از جريان ترکيبي عبوري همزمان از روي سرريز و زير دريچه
از اينرو تعيين شکل و حداکثر عمق آبشستگي در پاييندست سرريز و دريچه ترکيبي به منظور تثبيت وضعيت بستر ميتواند مفيد واقع شود.
1-2-4 آبشستگي
آبشستگي يکي از موضوعات مهم و قابل توجه در مهندسي رودخانه و هيدروليک جريان در بسترهاي آبرفتي ميباشد. چنانچه در يک بازه مورد بررسي، مقدار رسوب وارد شده کمتر از مقدار رسوب خارج شده باشد، عمل فرسايش کف رودخانه و يا بدنه آن رخ ميدهد و کف رودخانه بتدريج عميق ميشود. از جمله اثرات منفي گود شدن بستر رودخانه، ميتوان به شکست برشي و لغزش در بستر و نيز گراديان هيدروليکي خروجي اشاره کرد که در نهايت، افزايش فشار بالابرنده و ايجاد پديده تراوش را در پي دارد.
به فرسايش بستر و کناره آبراهه در اثر عبور جريان آب، به فرسايش بستر در پاييندست سازههاي هيدروليکي به علت شدت جريان زياد و يا به فرسايش بستر در اثر بوجود آمدن جريانهاي متلاطم موضعي، آبشستگي گويند. عمق ناشي از فرسايش بستر اوليه را عمق آبشستگي مينامند. (کتاب هيدروليک کانالهاي روباز، دکتر ابريشمي)
از آنجا که مکانيزم عمل آبشستگي در مکانهاي مختلف متفاوت ميباشد، از اين رو آبشستگي را به دو نوع تقسيمبندي ميکنند:
نوع اول آبشستگي تنگشدگي9 ميباشد. اين نوع آبشستگي در دو حالت اتفاق مي‌افتد:
الف) در جايي که رودخانه هنوز به حالت تعادل نرسيده و پتانسيل حمل رسوب در بازه‌اي از رودخانه بيش از ميزان رسوب ورودي به اين بازه باشد.
ب) در جايي که سرعت جريان به دلايلي مانند کاهش مقطع رودخانه در محل پل‌ها، افزايش پيدا مي‌کند که در مقطع تنگ شده آبشستگي اتفاق مي‌افتد.
در محل احداث پل، آبشکن و يا ديواره ساحلي معمولاً عرض رودخانه را کاهش مي‌دهند. اين عمل باعث مي‌شود که سرعت جريان در اين محدوده افزايش يابد. در نتيجه به ظرفيت حمل رسوب افزوده شده و سبب خواهد شد تا بستر رودخانه در اين محل فرسايش يابد. عمل فرسايش آنقدر ادامه مي‌يابد تا ظرفيت حمل رسوب کاهش يافته و برابر با ظرفيت حمل رسوب در مقطع بالادست گردد. در اين حالت، نرخ فرسايش در اين محل کمتر مي‌شود. هر چند اين فرسايش موجب مي‌شود که تأثير پسزدگي آب در بالادست کاهش يابد ولي به خاطر اين مسئله نبايد اجازه داده شود تا فرسايش صورت گيرد زيرا آبشستگي باعث خطرات جدي مثل واژگوني پل مي‌گردد.
نوع ديگر آبشستگي، آبشستگي موضعي10 است. اين نوع آبشستگي در پاييندست سازههاي هيدروليکي، در محل پايههاي پل و به طور کلي هر مکاني که شدت جريانهاي درهم به طور موضعي افزايش يابد، بوجود ميآيند.
آبشستگي موضعي پاييندست سازههاي هيدروليکي نظير سدها، سرريزها، شوتها، سازههاي پلکاني و … پديده طبيعي است که به‌دليل وجود سرعت محلي بيش از سرعت بحراني بوجود ميآيد و دلايل آن را ميتوان به صورت زير بيان کرد:
ناکافي بودن مقدار استهلاک انرژي
تشکيل پرش هيدروليکي ناپايدار و يا انتقال پرش خارج از کف حوضچه آرامش
بوجود آمدن جريانهاي گردابي11 در پاييندست سازههاي هيدروليکي
شکل (1- 2) چند نوع سازه هيدروليکي و آبشستگي پاييندست آنها را نشان ميدهد.
شکل 1- 2 آبشستگي موضعي پاييندست برخي از سازههاي هيدروليکي (استاندارد آب و آبفا، 1389)
ميزان عمق آبشستگي براي هر يک از سازهها بستگي به شرايط هيدروليکي جريان و مشخصات رسوب و شرايط هندسي سازه دارد. تخمين ميزان عمق آبشستگي از اينرو اهميت دارد که ممکن است باعث تخريب سازه گردد.
به طور کلي آبشستگي در اثر اندرکنش نيروهاي زير حاصل ميشود:
1- نيروي محرك ناشي از جريان که در راستاي جدا کردن ذره از بستر عمل ميکند.
2- نيروي مقاوم ناشي از اصطکاك ذرات و وزن ذره که در برابر حرکت ذره مقاومت کرده و مانع جدايي ذره از بستر ميشود.
جريانها در محل وقوع آبشستگي، يک فرآيند دوفازي (آب و رسوب) است. بنابراين آبشستگي متأثر از متغيرهاي بسياري از قبيل پارامترهاي جريان، مشخصات بستر آبرفتي، زمان و هندسه آبراهه ميباشد. به همين دليل، محققين هر يک به مطالعه بخشي از اين وقايع پرداخته و آن را به صورت آزمايشگاهي و تجربي بررسي کردهاند.
1-3 ضرورت انجام تحقيق
از آنجايي که در سازه‌هاي ترکيبي سرريز – دريچه، تداخل جريان از زير دريچه و روي سرريز باعث اختلاط شديد در جريان، تغييرات در توزيع تنش‌هاي برشي کف و از اين‌رو افزايش پيچيدگي محاسبات مي‌شود، بنابراين شبيه‌سازي الگوي جريان، سطح آزاد آب و آبشستگي مورد توجه محققين قرار دارد و لذا در اين تحقيق، علاوه بر بررسي آزمايشگاهي الگوي جريان در بستر صلب، توانايي نرمافزار Flow3D در شبيه‌سازي عددي الگوي جريان و آبشستگي مورد ارزيابي قرار خواهد گرفت‌.
1-4 اهداف تحقيق
تحقيق انجام شده به منظور پاسخگويي به اهداف زير صورت گرفته است:
1- بررسي آزمايشگاهي الگوي جريان عبوري از سازه ترکيبي سرريز- دريچه در بستر صلب و مدلسازي عددي آن با نرمافزار Flow3D و مقايسه نتايج حاصل از آن دو
2- مدلسازي عددي آبشستگي در پاييندست سازه ترکيبي با نرمافزار Flow3D و مقايسه نتايج حاصل از آن با نتايج بدست آمده از بررسيهاي آزمايشگاهي توسط محققين ديگر
3- ارزيابي دقت مدلهاي تلاطمي نرمافزار Flow3D در شبيهسازيهاي عددي الگوي جريان و آبشستگي پاييندست سازه ترکيبي سرريز – دريچه در مقايسه با نتايج آزمايشگاهي
4- محاسبه نسبت دبي عبوري از بالاي سرريز به زير دريچه با استفاده از مدل Flow3D
1- 5 ساختار کلي پاياننامه
اين تحقيق در پنج فصل به شرح زير تدوين شده است:
فصل اول- کليات: که شامل مقدمهاي بر سرريزها، دريچهها و مباني ترکيب اين دو سازه بوده و همچنين در رابطه با هيدروليک جريان و آبشستگي در پاي هر کدام از سازههاي سرريز يا دريچه و يا سازه ترکيبي سرريز – دريچه کلياتي ارائه گرديده است.
فصل دوم- بررسي منابع: در اين فصل، پيشينه تحقيقها در زمينه هيدروليک جريان عبوري از سازه ترکيبي سرريز – دريچه، آبشستگي پاييندست سازه ترکيبي و همچنين مطالعات انجام شده توسط نرم‌‌افزار Flow3D بررسي خواهد شد.
فصل سوم- مواد و روشها: اين فصل شامل معرفي مواد و روشهاي تحقيق، آشنايي با نرمافزار Flow3D و مراحل مدلسازي است.
فصل چهارم- نتايج و بحث: در اين فصل، نتايج ارائه شده شامل دو بخش است. بخش اول مربوط به نتايج آزمايشات انجام شده در بستر صلب مربوط به جريان عبوري از سازه ترکيبي سرريز – دريچه و بخش دوم مربوط به نتايج شبيهسازي عددي الگوي جريان، پروفيل و آبشستگي در پاييندست سازه ترکيبي است.
فصل پنجم- نتيجهگيري و پيشنهادها: اين فصل دربرگيرنده نتايج بدست آمده از تحليلها به همراه پيشنهادهايي براي تحقيقات بعدي است.
فصل دوم
مروري بر منابع
2-1 مرور منابع
در اين فصل، بررسي منابع و سوابق تحقيق در دو بخش مطالعات آزمايشگاهي و مطالعات عددي توسط نرمافزار Flow3D ارائه ميشود که ابتدا مطالعات آزمايشگاهي در دو حالت بستر صلب و متحرک ارائه شده و سپس مطالعات عددي با نرمافزار Flow3D نام برده ميشود. چون در مورد جريان عبوري از سازه ترکيبي سرريز‌- دريچه، مدلسازي با نرمافزار Flow3D تاکنون انجام نگرفته است مطالعات عددي نرمافزار Flow3D در همه زمينهها اشاره شده است.
2-2 مطالعات آزمايشگاهي جريان
از جمله مطالعات آزمايشگاهي هيدروليک جريان در سازه ترکيبي سرريز‌- دريچه، ميتوان به مطالعات نجم12 و همکاران (1994) اشاره کرد. ايشان پارامترهاي هندسي و هيدروليکي مؤثر بر روي جريان ترکيبي را مورد بررسي قرار داده و براي جريان سرريز مثلثي روي دريچه مستطيلي، سرريز و دريچه مستطيلي با ابعاد تنگشدگيهاي مختلف به طور جداگانه معادلاتي استخراج کردند. همچنين حالتي را که تنگشدگي دريچه و سرريز يکسان يا متفاوت باشد نيز به طور جداگانه مورد بررسي قرار دادند. اين محققين همچنين براي شرايط مختلف مانند استفاده از سرريز مثلثي با زاويههاي مختلف و يا سرريز مستطيلي با فشردگي جانبي (شکل 2-1) و بدون فشردگي جانبي (شکل 2-2) روابط جداگانهاي به صورت رابطههاي (2-1) تا (2-4) ارائه دادند.
شکل 2-‌1 جريان عبوري از سازه ترکيبي سرريز‌- دريچه مستطيل شکل با فشردگي جانبي
شکل 2- 2 جريان عبوري از سازه ترکيبي سرريز- دريچه بدون فشردگي جانبي
C_d=Q_c/((b_1 d?2g ?((d+y+h-h_d ) )+2/3 ?2g (b-0.2h) h^1.5))
Q_u=2/3 C_u ?2g(b-0.2h)h^1.5
Q_l=C_l b_1 d?2g ?((d+y+h-h_d))
Q_c/((?2g)b(d^(1.5 )))=C_l (?(1+y/d+h/d+h_d/d))+2/3 C_u (?h/d)?^(3/2)
شيواپور و پراکاش13 (2004)، به بررسي دبي جريان از روي سرريز مستطيلي و از زير دريچه V شکل پرداختند. طبق نتايجي که ايشان گرفتند زماني که از دريچه V شکل و کج استفاده ميشود دبي کانالهاي مستطيلي با بستر ثابت با دقت بالاتري قابل تخمين است.
اسماعيلي و فتحيمقدم (1385)، به بررسي آزمايشگاهي هيدروليک جريان و تعيين ضريب دبي مدل سرريز‌- دريچه در کانالهاي دايروي و جريانهاي زيرگذر و روگذر با نصب مانع با عرضهاي مختلف پرداختند.
ساماني و مظاهري (1386)، به بررسي تخمين رابطه دبي جريان عبوري از روي سرريز و زير دريچه در حالتهاي مستغرق و نيمهمستغرق پرداختند. نتايج بررسي هيدروليک جريان ايشان نشان ميدهد که سيستم سرريز- دريچه، موجب اصلاح خطوط جريان شده، شرايط جريان را به حالت تئوريک نزديکتر و در نتيجه، واسنجي ضريب شدت جريان سيستم سرريز – دريچه و تخمين دبي جريان با دقت بيشتري نسبت به سرريزهاي معمولي انجام ميشود.
شکل 2- 3 نمايي از مدلهاي آزمايشگاهي جريان مستغرق و نيمه مستغرق (ساماني و مظاهري، 1386)

رضويان و حيدرپور (1386)، با بررسي خطوط جريان ترکيبي از روي سرريز مستطيلي با فشردگي جانبي و زير دريچه مستطيلي بدون فشردگي جانبي در حالت لبهتيز، معادلهاي براي ضريب شدت جريان پيشنهاد کردند.
تاکنون پژوهشهايي در زمينه آبشستگي پاييندست سازه ترکيبي سرريز – دريچه انجام شده است. اولين بار در سال 1987 يک سري آزمايش توسط آقاي اويماز14 در آزمايشگاه سازههاي هيدروليکي استانبول بر روي آبشستگي پاي سازه ترکيبي سرريز- دريچه صورت گرفته است. شکل (2-4) نمايي از مدل شبيهسازي جريان کار ايشان را نمايش ميدهد.
شکل 2- 4 مدل شبيهسازي شده جريان و حفره آبشستگي جريان ترکيبي (اويماز، 1987)
ايشان براي 2 نوع دانهبندي و رسوب غيرچسبنده آزمايشات خود را اجرا نمودند. همچنين تمامي آزمايشات يک بار براي دريچه تنها و يک بار در حالت ترکيب دريچه و سرريز انجام دادند. پس از انجام آزمايشات، دادههاي بدست آمده را تجزيه و تحليل نموده تا به يک رابطه رگرسيوني خطي لگاريتمي بين پارامترهاي عمق آبشستگي با قطر رسوبات و ارتفاع آب پاييندست برسند. نتايج تحقيق ايشان نشان مي‌دهد که آبشستگي در پاي سازه ترکيبي سرريز – دريچه خيلي کمتر از زماني است که تنها جريان از زير دريچه را داريم. همچنين عمق آبشستگي بستگي زيادي به مقدار دبي جريان دارد.
دهقاني و همکاران (2009) به بررسي آزمايشگاهي حداکثر عمق آبشستگي پاييندست سرريز تنها، دريچه تنها و سازه ترکيبي سرريز – دريچه بدون انقباض پرداختند. نکته جالبي که در کار آزمايشگاهي ايشان ديده شده است رفتار نوساني روند فرسايش و رسوبگذاري به صورت پر و خالي شدن حفره آبشستگي است. حفره آبشستگي ابتدا عميق ميشود، سپس با وجود جريانهاي برگشتي کمي رسوبات فرسايش يافته به درون حفره برميگردد و حفره کمي پر ميشود. سپس دوباره حفره توسط گردابههاي زير دريچه عميق ميشود و روند پر و خالي شدن ادامه مييابد (شکل 2- 5). البته اين روند با گذشت زمان کندتر شده و شکل حفره در حوالي زمان تعادل تقريباً ثابت ميشود (دهقاني و همکاران، 2010).
همچنين بررسيهاي ايشان نشان داد که حداکثر عمق آبشستگي پاي سازه ترکيبي سرريز – دريچه خيلي کمتر از زماني است که جريان تنها از روي سرريز عبور ميکند و اين نتيجه با نتايج کار آقاي اويماز (1985) تطابق دارد.
شکل 2- 5 فرآيند پر و خالي شدن حفره آبشستگي در حين برخي از آزمايشات (دهقاني و بشيري، 2010)
شهابي و همكاران (1389) به بررسي آزمايشگاهي مشخصات حفره آبشستگي در پاييندست سرريز و دريچه تركيبي پرداختند. نتايج اين بررسي آزمايشگاهي نشان داد که عمق آبشستگي پايين‌دست سازه ترکيبي سرريز – دريچه کمتر از عمق آبشستگي پاييندست سرريز ميباشد. همچنين مشخصههاي حفره آبشستگي، با افزايش عدد فرود (Fr)، افزايش مييابد و در ارتفاع ريزش ثابت براي جت عبوري از روي آن، با افزايش بازشدگي دريچه، حداکثر عمق آبشستگي کاهش مييابد. نتايج انجام آزمايشات در حالت وجود انقباض نشان مي‌دهد که با ايجاد انقباض در دريچه يا سرريز به دليل تمرکز بيشتر جت، حداکثر عمق آبشستگي، طول حفره آبشستگي و طول رسوبگذاري به ترتيب افزايش، افزايش و کاهش مييابد. همچنين نتايج آزمايش بر روي کفبند پاييندست سازه ترکيبي نشان داد که چنانچه طول کفبند از فاصله برخورد جت بالادست به کف کانال بيشتر در نظر گرفته شود، ميتواند ميزان آبشستگي را تا حد قابل توجهي کاهش دهد.
2-2 مطالعات عددي با نرمافزار Flow3D


دیدگاهتان را بنویسید