جریان های چگال، ثقلی و یا لایه ای در طبیعت و صنعت بسیار مشاهده می شوند. این جریان ها در اثر تفاوت چگالی جریان چگال با سیال پیرامون آن به وجود می آیند. از آنجایی که این جریان ها تقریباً همیشه آشفته می باشند و نیروهای غوطه وری تولید شده در این جریان ها تاثیر مهمی در تضعیف و یا تشدید انرژی جنبشی آشفته دارند، دقت شبیه سازی عددی این نوع جریان ها تا حد زیادی به مدل آشفتگی به کار برده شده و چگونگی درنظر گرفتن نیروهای غوطه وری در مدل آشفتگی بستگی دارد. در این پایان نامه سه مدل مختلف آشفتگی k-? چگال توسعه داده شده و کاربرد و کارایی آن ها در جریان های چگال افقی بررسی گردیده است. مدل اول، مدل بهبود یافته، مدل استاندارد چگال k-? می باشد که از اعداد متغیر بر اساس روابط پیشنهاد شده برای عدد اشمیت و پارامتر c3? استفاده می کند. جهت درنظر گرفتن تنش های غیرهمسان آشفته در اثر نیروهای غوطه وری، اثر این تنش ها در مدل دوم، مدل ترکیبی، بر اساس ترکیب مدل های k-? و asm درنظر گرفته شده است. مدل سوم، مدل ggdh، از فرضیه گرادیان پخشیدگی کلی به جای فرضیه گرادیان پخشیدگی استاندارد بوسینسک به منظور درنظر گرفتن تاثیر نیروهای غوطه وری بر روی تنش های آشفتگی استفاده می کند. جهت شبیه سازی میدان جریان با چگالی متغیر، از مدل هیدرودینامیک عددی دو بعدی قائم wise، براساس معادلات رینولدز میانگین گیری شده ناویر-استوکس به همراه مدل های آشفتگی اضافه شده به آن استفاده شده است. جهت بررسی نتایج و کارایی هر مدل، سه نمونه آزمایشگاهی از جریان های چگال افقی به صورت عددی شبیه سازی شده و نتایج آن ها با مقادیر آزمایشگاهی مقایسه شده است. در نهایت، کارایی هر مدل بر اساس روابط بکار برده شده، در شبیه سازی جریان های چگال افقی تشریح شده و مدل مناسب تر مشخص شده است. مقایسه نتایج نشان داد که مدل بهبود یافته نتایج نزدیک تری، نسبت به دیگر مدل ها، به مقادیر آزمایشگاهی نشان می دهد. مدل ggdh باعث افزایش شدت تداخل آشفته جریان می شود و با توجه به سطح تداخل آشفته جریان های چگال بررسی شده در این پایان نامه، این مدل نمی تواند چندان مفید باشد. مدل ترکیبی نشان می دهد که اثر تنش های غیر همسان رینولدز در اثر نیروهای غوطه وری در جریان های چگال افقی قابل صرف نظر کردن می باشند.

چکیده روشهای عددی با توجه به ماهیت اصلی خود دارای خطا میباشند و عاملی که به شدت این خطا را تحت تاثیر قرار میدهد ، گسسته سازی مکانی یا همان معرفی شبکه ها برای حل معادلات می باشد. از طرفی شبکه های با ابعاد درشت صرفه جویی بسیار خوبی در زمان و هزینه محاسبه دارند ولی دقت آنها به ندرت در بازه مورد قبول قرار می گیرد ، و از طرف دیگر شبکه های ریز دارای دقت مناسب هستند ولی مستلزم زمان محاسبات بسیار زیاد و همچنین هزینه های بالا برای تهیه پردازشگر های مناسب می باشند . در این میان ، بکار بردن شبکه با ابعاد مختلف بر حسب نیاز دقت های متفاوت در زیر حوزه های میدان حل، راه کار مناسبی به نظر میرسد. ولی تمامی روشهای ارائه شده در این مبحث دارای پیچیدگی های زیادی در نواحی مرزی بین دو شبکه هستند و عملاً نیازمند دانش بالا در برنامه نویسی میباشند . در این پایان نامه ، با توجه به نیاز پژوهشگران مبتدی ، اقدام به معرفی روش بسیار ساده ای برای مدلسازی جریان شده است . این مدل بر مبنای معادلات میانگین گیری شده در عمق تاویر- استوکس بنا شده است که از روش حل تصحیح فشار بهره می برد . در طول حل از روند فوق تخفیف پی در پی خط به خط استفاده شده است که این مزیت را دارد که در هر مرحله تنها نیاز به حل ماتریس سه قطری میباشد که آن هم با استفاده از الگوریتم توماس بدست می آید . در نهایت برای شرایطی که لازم به استفاده از شبکه های تودرتو باشد ، روش سلول های مجازی و میانگین گیری بر روی مرز های مشترک معرفی شده است که علاوه بر دقت مورد قبول ، از سادگی نسبی خوبی نیز برخوردار است .

تئوری بهینه سازی شامل دسته ای از روش های ریاضی و عددی است که برای پیدا کردن و تشخیص دادن بهترین حالت از میان انتخابات موجود به کار می رود. دیواره های ساحلی، موج شکن ها و بسیاری از سازه های دیگر برای کاهش دادن نیروی ناشی از امواج و یا کنترل انتقال رسوب مورد استفاده قرار می گیرند، ولی اشکال آنها معمولاً با استفاده از فرضیات هیدرودینامیکی ساده و یا روابط تجربی تعیین می شوند که نتایج حاصل به طور کامل رضایتبخش نیست. تکنیک بهینه سازی اشکال همراه با حل هیدرودینامیک امواج، امکان ساخت سازه های ساحلی و نزدیک ساحل را در شرایط بهینه با در نظر گرفتن صحیح تر نیروی ناشی از امواج و تأثیر آن در ابعاد و شکل سازه ها، فراهم می نماید. موج شکن ها سازه هایی هستند که به منظور ایجاد آرامش در حوضچه بنادر ، جلوگیری از فرسایش سواحل وحفاظت کانال های کشتیرانی احداث می شوند. در این پایان نامه طراحی بهینه شکل موج شکن ها در پلان مورد توجه قرار گرفته و سعی بر آن شده تا با استفاده از یک الگوریتم بهینه سازی و توسعه ی یک مدل عددی برای حل هیدرودینامیک امواج و مدلسازی برهم کنش موج ـ سازه، همچنین توسعه ی مدل لازم برای بهینه سازی شکل موج شکن ها، شکل بهینه ای برای امواج برخوردی به منظور کاهش ارتفاع موج و رسیدن به محیطی آرام در بندر و کانال دسترسی به آن ارائه شود. در این تحقیق با در نظر گرفتن شرایط هندسی متفاوت برای بندر نظیر تغییر در ابعاد هندسی، موقعیت و پهنای دهانه ی ورودی و در نظر گرفتن حالتی که بندر دارای ورودی و خروجی جداگانه است، تغییر در طول و زاویه ی موج شکن برای بازشدگی ناوبری نسبت به بندر، همچنین شرایط محیطی مختلف نظیر امواج برخوردی با پریودها، ارتفاعات و جهات مختلف و مقایسه ی میان آن ها، سعی شده تأثیر آنها بر آرامش و کاهش ارتفاع موج در بندر و کانال دسترسی مشخص گردد و پیشنهاداتی برای ارائه ی شکل بهینه ی موج شکن ها ارائه شود. نتایج تحقیقات انجام گرفته در این خصوص نشان داده است علیرغم این که تکنیک بهینه سازی شکل در مهندسی سواحل به ندرت مورد استفاده قرار گرفته است، می تواند به طور موثر و کارآمدی در این زمینه به کار برده شود.

در این تحقیق مدل عددی دو بعدی نوینی که قادر به مدل‏سازی مسائل مختلف امواج آب با هر شرایط اولیه دلخواه باشد، با بهره گیری از روش هیدرودینامیک ذرات هموار شده (sph)تهیه شده است. روش هیدرودینامیک ذرات هموار شده، روش لاگرانژی و بدون شبکه ی مبتنی بر ذرات بوده که قادر به مدل‏سازی عددی جریان امواج دارای تغییر شکل های زیادبا دقت بالا است. معادلات حاکم در این مدل (معادلات بقای جرم و مقدار حرکت)با استفاده از روش دو گام جزئی حل شده-اند. در گام اول معادلات ناویر-استوکس بدون در نظر گرفتن جمله ی فشار و ارضای کامل تراکم ناپذیری مورد حل قرار می گیرد. در گام بعد، معادله ی پواسون برای اعمال جمله ی فشار و حاکمیت پیوستگی حل شده، و موقعیت و سرعت دقیق ذرات به دست می آید. در این روش جمله های انتقال در معادلات ناویر-استوکس به صورت مستقیم محاسبه می شوند که باعث حذف خطای پخش عددی می گردد. در مدل حاضر از شیوه ای جدید برای اختصاص چگالی به ذرات برای انجام محاسبات استفاده شده است. با استفاده از این شیوه، مدل هیدرودینامیک ذرات هموار شده ی تراکم ناپذیر (isph) حاضر پایدار شد. در ابتدا صحت سنجی مدل عددی تهیه شده با استفاده از مدل‏سازیمسئله‏یحرکت موج تنها در عمق یکنواخت و مقایسه ی نتایج محاسباتی با نتایج تحلیلی صورت گرفته است که مطابقت خوبی بین آن ها مشاهده می شود. همچنین در این بخش، بر روی همگرایی روش و حساسیت مدل به پارامترهای مربوط بحث انجام شده است. سپس با استفاده از مدل عددی، مسائل شکست سد و برخورد امواج ناشی از آن با دیواره ی پایین دست ، شکست موج تنهادر ساحل شیب دار و بالاروی آن در ساحل با شیب تندمدل‏سازی و نتایج آن با داده های موجود مقایسه شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که مدل هیدرودینامیک isphحاضر،مدلی مناسب برای شبیه سازی مسائل پیچیده ی مکانیک سیالات با شرایط مرزی سطح آزاد می باشد.

یکی از مشکلات عمده ای که بنادر و کانال های کشتی رانی از گذشته تا به امروز با آن روبرو بوده اند پدیده رسوب گذاری و لای زایی است. رسوب گذاری در بنادر و کانال دسترسی موجب بروز پدیده کم عمقی می شود. کم عمق شدن بندر و کانال دسترسی در عبور و مرور شناورها به ویژه شناورهای با تناژ بالا اختلال ایجاد کرده و حتی موجب غیر قابل استفاده شدن بندر می شود.نرخ رسوب گذاری درون بنادر و کانال دسترسی علاوه بر ویژگی های رسوبات و موج و جریان حاکم در منطقه به هندسه و جانمایی بندر و کانال دسترسی نیز وابسته است. برای بررسی کیفی و کمّی پدیده رسوب گذاری درون بنادر و کانال های دسترسی از مدل های عددی و مدل های فیزیکی استفاده می شود. در مقایسه با مدل های فیزیکی، مدل-های عددی کم هزینه تر بوده و کاربرد آن ها آسان تر می باشند، در نتیجه استفاده از آن ها متداول تر است. بنا بر آنچه بیان شد، رسیدن به درک عمیق تر از ناثیر شکل هندسی بندر بر رسوب گذاری و انتقال رسوبات درون بندر ضروری به نظر می رسد. به جهت دشواری و هزینه زیاد انجام مطالعه آزمایشگاهی در مورد تاثیر شکلهای هندسی مختلف بندر روی رسوب گذاری و انتقال رسوبات با استفاده از تعداد زیاد نمونه آزمایشگاهی بندر با هندسه های مختلف، در این مطالعه از مدلسازی عددی استفاده شده است. دز این مطالعه سعی شده تا با استفاده از قابلیت مدل عددی برای مدلسازی آسان هندسه های متفاوت، تعداد زیادی بندر با هندسه های متفاوت در مدل آزمایش شود تا با استفاده از نتایج به دست آمده معیار های هندسی جامع تری در بندر ها برای کاهش رسوب گذاری بیان شود. در این پژوهش یک مدل عددی دو بعدی میانگین گیری شده در عمق هیدرودینامیک و انتقال رسوبات توسعه داده شده و جهت تحقیق روی تاثیر شکل هندسی بر حجم و الگوی رسوب گذاری در حوضچه بندر مورد استفاده قرار گرفته است. در این مطالعه پس از توسعه و صحت سنجی مدل عددی با ستفاده از نتایج آزمایشگاهی و حل های تحلیلی، هندسه های مختلف یک بندر در مدل مورد آزمایش قرار گرفته و تغییرات حجم رسوب گذاری نسبت به پارامتر های بی بعد شده شکل هندسی مورد بررسی قرار گرفته است. در این مطالعه رسوب گذاری در حوضچه بندر تحت تاثیر جریان جانبی و جریان جزر و مدی تحت تاثیر تغییر پارامترهای هندسی نسبت طول به عرض، عرض دهانه و موقعیت دهانه بندر مورد بررسی قررا گرفته است.

در این پایان نامه به منظور مدل سازی عددی امواج کوتاه که در آن ها تغییرات سطح آب دارای شیب تند و قابل ملاحظه است، از مدل وایز (wise; width integrated stratified environment) و بازسازی سطح به کمک روش حجم سیال (vof) استفاده شده است. در مدل وایز که براساس توصیف اختیاری لاگرانژی- اولری معادلات نویر- استوکس را حل می کند، از روش احجام محدود برای گسسته سازی معادلات استفاده شده است. برای انتقال که پدیده ی غالب در مدل سازی جریان سطح آزاد است، از تابع شکل مرتبه ی پنجم استفاده شده است و قسمت پخشیدگی آن دارای دقت مرتبه ی دوم است. مدل وایز از روش پروجکشن برای حل معادلات حرکت استفاده می کند که بر مبنای یک روش گام به گام در هر گام زمانی در دو مرحله ی کلی و مجزا حل می شود. در هر گام زمانی به منظور اصلاح سطح آزاد به دست آمده در مدل وایز، الگوریتم توسعه داده شده با استفاده از روش حجم سیال به کاربرده می شود و برای گام زمانی جدید از مقادیر بازسازی شده ی سطح آزاد در مدل وایز استفاده می گردد. در روش حجم سیال ارائه شده در این پایان نامه ابتدا شبکه ای اولری تشکیل و مقادیر سطح آزاد، سرعت و فشار را از شبکه ی لاگرانژی- اولری با استفاده از درون یابی خطی محاسبه می کند که با این مقادیر تابع حجم را محاسبه و سپس بر مبنای روش یانگز انتقال می دهد. پس از به دست آمدن مقادیر اصلاح شده ی سطح آب مقادیر فشار نیز اصلاح می شوند و در نهایت مقادیر جدید سطح آزاد به مدل وایز منتقل می شوند. سه تست مرسوم برای صحت سنجی روش حجم سیال انجام شده است که مدل حجم سیال توسعه داده شده نتایج خوبی را به دست می دهد. در نهایت نتایج مدل برای مدل سازی سطح آزاد با انتشار امواج کوتاه با نتایج تحلیلی و مدل وایز مقایسه شده که نشان دهنده ی بهبود و افزایش دقت مدل سازی در مقایسه با مدل وایز می باشند.

پیشرفت روزافزون صنعت و افزایش حمل و نقل دریایی و به تبع آن حوادث نفتی در دریاها و اقیانوس ها سبب آلوده شدن محیط های دریایی شده است. ماندگاری آلودگی نفتی امکان پخش و گسترش آن را توسط جریان های دریایی ناشی از باد و جزرومد فراهم کرده که سبب حرکت و انتقال لکه های نفتی می گردد. گستردگی ذرات نفت در ستون آب و اختلاط آن با رسوبات معلق و رسوبات کف از یک سو و از سویی دیگر رسیدن لکه های نفتی به ساحل و اندرکنش این آلودگی ها با خط ساحلی و برگشت دوباره ی آلودگی های مخلوط با ماسه ها و رسوبات ساحلی، سبب ایجاد رسوبات دگرگون شده ای از لحاظ وزن مخصوص، خصوصیات چسبندگی، سرعت سقوط و دیگر موارد تغییریافته ی ماهیت رسوبات می شود. همچنین اختلاط نفت و رسوب و گردآمدگی رسوبات در ستون آب سبب ایجاد مواد رسوبی- نفتی خواهد شد. در این پایان نامه یک مدل ترکیبی دوبعدی میانگین گیری شده در عمق بر اساس دیدگاه اولری شامل مدلهای هیدرودینامیک، پخش و انتشار نفت انتقال و رسوب گذاری، فرآیند اختلاط نفت و رسوب، با اعمال تغییرات لازم در خصوصیات رسوب آغشته به نفت توسعه داده شده است. روش احجام محدود با دقت درجه دو برای گسسته سازی معادلات ناویر استوکس، نفت و انتقال رسوب مورد استفاده قرار گرفته است. روش adi برای حل معادلات به کار گرفته شده و مدل آشفتگی صفر معادله ای فیشر نیز به مدل هیدرودینامیک اضافه شده است. نفت و رسوب با در نظر گرفتن اثر متقابل آنها و منظور نمودن تغییرات پارامترهای موثر در جریان انتقال به عنوان یک جریان نفتی- رسوبی مدل شد ه اند. جهت صحت سنجی نتایج شبیه سازی شده ی مدل هیدرودینامیک با نتایج اندازه گیری شده برای کانالی همراه با آبگیر جانبی، کانالی با حفره ی مربعی شکل و جریان در کانالی با بازشدگی ناگهانی مقایسه شده است. مقایسه ی نتایج حاصل از مدل و اندازه گیری جریان در این آزمایشات نشان از دقت خوب شبیه سازی عددی دارد. جهت صحت سنجی مدل نفتی نیز نتایج مدل با حل تحلیلی و نیز نتایج اندازه گیری شده مورد ارزیابی قرار گرفته و مقایسه ی نتایج نشان از دقت خوب شبیه سازی عددی دارد. مدل انتقال رسوب نیز در دو آزمایش مختلف برای انتقال رسوبات معلق و بار بستر مورد ارزیابی قرار گرفته، و تطابق دقت خوب بین نتایج آزمایشگاهی و عددی را گزارش می کند. در انتها مدل ترکیبی نهایی نفت – رسوب نیز برپا گشته و با اضافه شدن نفت به رسوبات معلق، تاثیر مقادیر مختلف نفت در رسوبات معلق مورد آزمایش قرار گرفته است. نتایج حاصل از آزمایش نهایی نشان می دهد که با افزایش نفت به ستون آب، غلظت رسوبات معلق افزایش پیدا می کند.

در این تحقیق یک مدل هیدرورینامیکی دو بعدی افقی بر پایه ی معادلات غیر دائمی ناویر-استوکس با استفاده از ریز شبکه ها جهت مدل سازی پدیده های گردابه ای توسعه داده شده است. روش حل بر پایه ی الگوی گام جزئی که از دو گام کلی؛ 1- محاسبه ی سرعت های موقت در غیاب جمله فشار و 2- حل معادله ی پواسون و ارضای شرط پیوستگی و سپس اصلاح سرعت های موقت و محاسبه ی سرعت های نهایی تشکیل شده، استفاده گردیده است. روش حجم محدود جهت گسسته-سازی معادلات و روش تکراری sor جهت حل فرم بی بعد شده ی معادلات حاکم در فضای شبکه های ریز شونده ی دو طرفه استفاده شده است. در هنگام استفاده از ریز شبکه ها اعمال شرایط مرزی مناسب در فصل مشترک شبکه های ریز و درشت و همچنین دقت گسسته سازی معادلات و میانگین گیری مقادیر در سلول های مجاور مرز از اهمیت بسیاری برخوردارند. الگوی های گسسته سازی مورد استفاده در این تحقیق دقتی از مرتبه ی 2 را در مکان و زمان پدید می آورند و جهت یکسان سازی دقت گسسته سازی در فصل مشترک شبکه ها و سایر نقاط مدل و همچنین ایجاد ارتباط دو طرفه بین شبکه ها از سلول های مجازی بدل استفاده شده است. همچنین در این مدل سازی جهت بررسی میزان تأثیر مرتبه ی میانگین گیری در مرز شبکه ی ریز و درشت جهت محاسبه ی سلول های مجازی بدل از دو روش درونیابی خطی و غیر خطی بهره گیری شده است. جریان در حفره ای با دریچه ی لغزان، گردابه ی پیرسون و پدیده ی ریزش گردابه در پشت استوانه و متوازی السطوح با مقطع مربعی جهت تعیین ضریب درگ، عدد استروهال جریان و رینولدز بحرانی در جریان آزاد مدل سازی شده اند، نتایج حاصل با نتایج حاصل از حل تحلیلی، اندازه گیری های آزمایشگاهی و مدل سازی های عددی مختلف ارائه شده توسط محققین پیشین مقایسه شده و عملکرد مدل مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که مدل ارائه شده در این پایان نامه عملکرد مناسبی در شبیه سازی پدیده های هیدرودینامیک با ساختار پیچیده در فضای شبکه های ریز شونده از خود نشان می دهد.

تقریباً تمامی جریان های محیط زیستی و ژئوفیزیکی همانند جریان هایی که در دریاچه ها‏، مخازن‏، مصب رود ها و اتمسفر رخ می دهند‏، آشفته و در اغلب موارد لایه بندی شده هستند. حضور نیرو های شناوری ناشی از لایه بندی‏، ‎‎‏تأثیر اساسی بر گسترش جریان و فرآیند‎های‎ اختلاط آشفته داشته‏، و بر حرکت آلاینده ها و مواد رسوبی در این جریان ها اثر می گذارند. از آنجا که استفاده از روش های آزمایشگاهی در بسیاری از موارد به صرفه نیست‏، می توان از شبیه سازی عددی به عنوان ابزاری کارآمد در کاربرد های مهندسی و طراحی و تجزیه و تحلیل این جریان ها استفاده کرد. ‏توجه به مدل سازی آشفتگی امری ضروری در شبیه سازی این نوع جریان ها است. در جریان های لایه بندی شده به دلیل حضور نیروهای شناوری‏، تنش های ناشی از آشفتگی ناهمسان بوده‏، و در نتیجه اعمال صحیح ناهمسانی‏ در آن ها‏، حائز اهمیت است. از این رو در این پایان نامه‏، مدل سازی آشفتگی در جریان های لایه بندی شده‏، شامل جریان های آب شور و جریان های حامل رسوب (گل سیال) مورد بررسی قرار گرفته است. ‏مدل هیدرودینامیک مورد استفاده مدل wise (حجازی، 2004) می باشد که یک مدل سطح آزاد بر اساس معادلات ناویر‎‏-استوکس میانگین گیری شده ی رینولدز است. شبکه بندی مدل از نوع منحنی الخط غیر متعامد لغزان بوده‏، و در آن از مدل آشفتگی k-? غوطه ور برای مدل سازی آشفتگی استفاده شده است. درا‎ین پژوهش برای‎‎‎‎‎ مدل سازی آشفتگی از یک مدل صریح جبری تنش رینولدز (earsm) به همراه یک مدل صریح جبری شار اسکالر (easfm) استفاده شده است. به منظور صحت سنجی مدل آشفتگی‏، آزمایش های انسداد-تبادل و شار ثابت آب شور بر روی سطوح صاف و شیب دار شبیه سازی شده و نتایج مربوط به گسترش جریان‏، نمودارهای سرعت و غلظت حاصل از مدل آشفتگی صریح جبری تنش رینولدز با نتایج اندازه گیری های آزمایشگاهی و نتایج حاصل از مدل آشفتگی k-? غوطه ور مورد مقایسه و تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. همچنین‏، به منظور بررسی کاربرد مدل عددی توسعه یافته در شبیه سازی جریان های لایه ای دوفازی گل سیال‏، از طریق معادلات ساختاری رئولوژیکی مختلف‏، رفتار غیرنیوتنی سیال به مدل موجود اضافه شده است. برای بررسی صحت عملکرد مدل در این نوع جریان ها آزمایش های انسداد-تبادل گل سیال بر روی سطح صاف و شیب دار شبیه سازی شده و نتایج مربوط به گسترش، موقعیت پیشانی‏، سرعت و غلظت جریان حاصل از مدل آشفتگی صریح جبری تنش رینولدز با نتایج اندازه گیری های آزمایشگاهی و نتایج حاصل از مدل آشفتگی k-? غوطه ور مورد مقایسه و تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. بررسی های انجام گرفته در حالت کلی نشان دهنده ی عملکرد مناسب مدل صریح جبری تنش رینولدز برای شبیه سازی جریان های لایه بندی شده ی آب شور و جریان های گل سیال‏، و برتری نسبی آن در مقایسه با مدل آشفتگی k-? می باشد.

تقریباً تمامی جریان های محیط زیستی و ژئوفیزیکی همانند جریان هایی که در دریاچه ها، مخازن سدها، مصب رودها و اتمسفر رخ می دهند آشفته و در اغلب موارد لایه بندی شده هستند. جریان های لایه بندی شده ثقلی یا جریان های تحت تأثیر نیروهای غوطه وری در اثر تفاوت چگالی جریان ثقلی با سیال پیرامون ایجاد می شوند. حضور نیرو های شناوری ناشی از لایه بندی تأثیر اساسی در گسترش جریان، فرآیندهای اختلاط آشفته، و تولید و اضمحلال گردابه های آشفتگی داشته و بر حرکت آلاینده ها و مواد رسوبی در این جریان ها تأثیر می گذارند. با توجه به محدودیت های مطالعات آزمایشگاهی از نقطه نظرهای محدودیت نتایج به موضوع مورد مطالعه، خطاهای مقیاس مدل سازی و اندازه گیری و هزینه ی ساخت مدل، شبیه سازی عددی در کاربردهای مهندسی و تجزیه و تحلیل این جریان ها از توسعه ی روزافزونی برخوردار شده است. دقت شبیه سازی عددی این گونه جریان ها به مدل آشفتگی به کار گرفته شده و چگونگی در نظر گرفتن نیروهای شناوری در مدل آشفتگی بستگی دارد. در جریان های لایه بندی شده بدلیل حضور نیروهای شناوری، تنش های ناشی از آشفتگی ناهمسان بوده و در نتیجه اعمال صحیح ناهمسانی در آن ها حائز اهمیت است. جریان های مورد بررسی در این پایان نامه، جریان های لایه بندی شده ی آب شور و جریان های ثقلی چگال می باشند. مدل هیدرودینامیک مورد استفاده برای حل معادلات ناویر- استوکس مدل wise (حجازی،2004) می باشد که یک مدل سطح آزاد بر اساس معادلات ناویر- استوکس میانگین گیری شده ی رینولدز است. شبکه بندی مدل از نوع منحنی الخط غیر متعامد و لغزان بوده و در آن از مدل آشفتگی k-ε غوطه ور برای مدل سازی آشفتگی استفاده شده است. در این پایان نامه برای مدل سازی آشفتگی و محاسبه ی تنش های رینولدز و شار اسکالر، از یک مدل صریح تنش جبری (earsm) به همراه یک مدل صریح جبری شار کمیت اسکالر (easfm) استفاده شده است. به منظور صحت سنجی مدل تنش جبری آزمایش های انسداد- تبادل و شار ثابت در جریان های آب شور و جریان های چگال بر روی سطوح صاف و شیب دار شبیه سازی شده و نتایج مربوط به گسترش، موقعیت پیشانی، خطوط میزان غلظت و پروفیل سرعت جریان حاصل از مدل آشفتگی صریح جبری تنش رینولدز و شار اسکالر با نتایج آزمایشگاهی و نتایج حاصل از مدل آشفتگی k-ε غوطه ور مورد مقایسه و تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. بررسی شبیه سازی های انجام شده بر روی جریان های ثقلی آب شور، نشان دهنده ی عملکرد قابل قبول مدل k-ε غوطه ور نسبت به مدل earsm در جریان های با اختلاف چگالی کم، جریان های جت آب شور و همچنین در فاز اول جریان، می باشد. توصیف بهتر سرعت، مزیت اصلی مدل earsm در مقایسه با مدل k-ε غوطه ور، در جریان های لایه بندی شده ی آب شور و چگال می باشد. بررسی های انجام گرفته در حالت کلی نشان دهنده ی عملکرد مناسب مدل صریح جبری تنش و شار برای شبیه سازی جریان های لایه بندی شده ی آب شور و چگال و برتری نسبی آن در مقایسه با مدل آشفتگی k-ε غوطه ور می باشد.

جریان های لایه بندی شده ی دوفازی در اثر اختلاف چگالی ناشی از مواد معلق و محلول نمک، رسوبات چسبنده و تغییرات درجه حرارت در مصب رودخانه ها، سواحل، اقیانوس ها و مخازن سدها اتفاق می افتد. تخمین دقیق سطح آب و سطح مشترک بین دو لایه در اثر انتشار امواج در چنین محیط هایی برای امکان پیش بینی صحیح عملکرد جریان های لایه بندی شده ی دوفازی دارای اهمیت است. در این تحقیق مدل عددی هیدرودینامیک دوبعدی در قائم وایز (wise; width integrated stratified environments) مورد استفاده گرفته و از روش حجم سیال برای مدل سازی سطح آب و سطح مشترک لایه ها بهره گرفته شده است. در مدل وایز که یک مدل دوبعدی انتگرال گیری شده در عرض و بر اساس سیستم مختصات اختیاری اویلری- لاگرانژی است، معادلات میانگین گیری شده ی رینولدزی نویر- استوکس با روش احجام محدود گسسته و در دو گام جزیی به روش پروجکشن حل می شوند. برای روش حجم سیال از روش یانگز استفاده می شود، که در این روش الگوریتم انتقال تابع رنگ بر بازسازی تکه ای خطی سطح مشترک استوار می باشد. در شبکه ی اویلری سطح آب و سطح مشترک به دست آمده، به شبکه اویلری- لاگرانژی منتقل می شود و با استفاده از سطح آب شبکه جدید تولید و همچنین با استفاده از سطح مشترک جدید چگالی و لزجت در سراسر مدل بروز رسانی می شود. در این مدل برای اعمال اثرات آشفتگی جریان از مدل استاندارد با در نظر گرفتن جملات غوطه وری استفاده شده است. برای صحت سنجی هیدرودینامیکی مدل آزمایش های عددی نوسان های موج ایستا در یک مخزن محدود، حرکت امواج استوکس و سالیتاری شبیه سازی شده اند. برای چگونگی عملکرد مدل در محیط های دوفازی و لایه بندی شده حرکت امواج سالیتاری داخلی انتشار موج بر روی بستر رسوبی لجنی مدل سازی شده است و با نتایج با نتایج تحلیلی و اندازه گیری های آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفته است. بررسی ها نشان می دهد که مدل حاضر قابلیت های مناسبی جهت شبیه سازی امواج سطحی غیر خطی و امواج غیر خطی که در سطح مشترک جریان های لایه بندی شده ی دوفازی تشکیل می شود، دارد.

در هیدرولیک مانند سایر حوزه های مکانیک سیالات، جریاناتی که در حوزه ی کاربردی مشاهده می شوند تقریباً همگی آشفته هستند. با توجه به پیچیدگی های موجود در پدیده ی آشفتگی و با وجود تحقیقات گسترده انجام شده در آن، هنوز تعاریف و ویژگی های این پدیده به صورت دقیق و بدون اختلاف از سوی محققین اعلام نشده است. جریان های چگال، کاربرد زیادی در مسائل مربوط به هیدرولیک و جریان های آبی دارند. یکی از مهم ترین عوامل ایجاد ناهمسانی در تنش های رینولدز جریان آشفته، وجود جریان های لایه ای است. این گونه جریان ها در حالت وجود رسوب، وجود نمک در آب، در جریان های آبی و هیدرولیکی رخ می دهند. کاربرد مورد توجه این گونه جریان ها در بخش های محیط زیست هیدرولیکی می باشد. جریان های چگال، دارای ماهیتی ناهمسان می باشند. که این امر پیش بینی دقیق آن ها را به ویژه با استفاده از مدل های آشفتگی همسان مانند مدل های دو معادله ایk-? استاندارد، با مشکلاتی مواجه می کند. مدل های آشفتگی خطی و استاندارد دو معادله ای، تنش های رینولدز را همسان فرض می کنند و آن ها را در سه راستای مختلف برابر به دست می دهند. این فرض در بیشتر جریان های آشفته فرضی است که با واقعیت فاصله دارد و به پیش بینی های غیر دقیقی منتج می شود؛ به ویژه در جریان های چگال، که ناهمسانی مربوط از جنس ناهمسانی تنش است، حضور دارد. به منظور در نظر گرفتن اثر ناهمسانی ها، مدل های غیر خطی دو معادله ای به ویژه در سال های اخیر توسعه زیادی یافته اند. یکی از افرادی که با استفاده از فرض ارتباط میان تنش های رینولدز غیر خطی در جریان آشفته، مدل اشفتگی غیر خطی k-? را بسط داده است، اسپژیال (1987) می باشد. وی این مدل ناهمسان را براساس مرتبه دوم کرنش ارائه کرد، که آن را در محیط های ناهمسان لایه بندی شده، نسبت به مدل های خطی توانمندتر می سازد. در این تحقیق، به منظور افزایش دقت مدل عددی در پیش بینی جریان های لایه بندی غیرنیوتنی و آب ونمک، از مدل آشفتگی ناهمسان k-? استفاده شده است. مدل غیر خطی آشفتگی به مدل هیدرودینامیک دوبعدی قائم wise، که در ابتدا دارای مدل آشفتگی خطی و همسان k-? بوده است، اضافه شده است. مدل هیدرودینامیک، معادلات را از روش پروجکشن حل می کند، به این ترتیب که با کنار گذاشتن جمله ی فشار، ابتدا معادلات انتقال وپخشیدگی حل می شوند و سپس با توجه به این که این سرعتها موقتی هستند، مقادیر فشار با حل معادله پواسون و اعمال رابطه پیوستگی محاسبه و سرعتها به روز می شوند. مدل ناهمسان اضافه شده به مدل هیدرودینامیک، بر خلاف مدل های همسان دارای تنش های مرتبه دوم می باشدکه آن را قادر به مدلسازی جریان های ناهمسان با دقت بیشتری می نماید. در این تحقیق دقت مدل غیرخطی با مدل خطی که در ابتدا در مدل هیدرودینامیک موجود بوده است، مقایسه شده است. آزمایش های عددی انجام شده نشان داد که دقت مدل غیرخطی، اندکی بیش تر از مدل آشفتگی خطی بود. استفاده از مدل آشفتگی غیر خطی، به دلیل افزایش نسبی دقت و در عین حال عدم افزایش حجم محاسباتی به طور قابل توجه، توصیه می شود. در این پژوهش، از هشت آزمایش عددی در جریان های چگال استفاده شده است، که چهار آزمایش از نوع جریان ثقلی آب ونمک می باشند و چهار آزمایش دیگر به جریان ثقلی آب و رسوب چسبنده مربوط هستند. از آنجایی که رسوبات چسبنده دارای رفتار غیرنیوتنی هستند، از دو مدل ریاضی پاورلا و بینگهام برای توصیف رفتار این نوع از جریانها استفاده شده است.

تحقیق حاضر با هدف توسعه مدل عددی سه بعدی بر اساس روش شبیه سازی گردابه های بزرگ جریان برای محاسبات میدان جریان آشفته در اطراف موانع و بر پایه حل معادلات جریان و پیوستگی صورت گرفته است. معادلات فیلتر شده مکانی ناویر- استوکس به عنوان معادلات حاکم با استفاده از روش احجام محدود گسسته شده و ترمهای تنشهای زیر شبکه که حاصل این فیلتر سازی هستند، با دو نمونه از مدلهای زیر شبکه متداول استاندارد و دینامیک، ضمن ایجاد تغییراتی فراخور کاربردهای این رساله در مدل اعمال شده اند. پایه مدل محاسباتی توسعه یافته، مدل عددی wise است. مدل مذکور یک مدل مبتنی بر روش rans و مدلهای آشفتگی k-? است. روش عددی مورد استفاده در این مدل به عنوان پایه ای برای حل جریان در صفحات متعامد برای مدل سه بعدی مورد استفاده قرار گرفته است در حالیکه معادلات حاکم از معادلات متوسط زمانی ناویر- استوکس به معادلات متوسط مکانی برای شبیه سازی گردابه های بزرگ تغییر یافته اند. به منظور کاهش نیاز به توان رایانه ای بسیار بالا و محدودیتهای موجود در این زمینه، جریان در محدوده های کنار دیواره ها و کف کانال با دو دسته از مدلهای نزدیک جداره در حالت ارتقاء یافته و همچنین یک روش ترکیبی دولایه ای tble شبیه سازی شده است. مدل تدوین شده در مجموع در تستهای صحت سنجی و ارزیابی در جنبه های مختلف توانسته است با نتایج تحلیلی و آزمایشگاهی مرجع انطباق یافته و برای شبیه سازی های کاربردی آماده گردد. در شبیه سازی های انجام شده کاربردی برای جریان عبوری از پله پایین رونده، تپه های ماسه ای و رژیمهای مختلف جریان عبوری از روی مانع نیمکره، عملکرد مدل در برآورد میدان متوسط سرعت و لحظه ای، میدان فشار دینامیک و کلی، تنشهای آشفتگی، پدیده های ناماندگار، جدایش و بازگشت و تولید انواع گردابه های جریان موثر عمل نموده و تطابق مناسبی ایجاد نماید. تطابق کیفی و کمی پارامترهای مذکور با نتایج آزمایشگاهی مرجع، زمینه را برای انجام مجموعه آزمایشهای عددی گسترده برای استحصال نتایج کاربردی در زمینه اندرکنش جریان و سازه های هیدرولیکی واقع بر مسیر جریان فراهم آورده است.

پیش بینی هندسه ی موجک ها برای پیش بینی انتقال رسوب تحت تاثیر امواج برای شرایط مختلف موجک ضروری می باشد. از اینرو در تحقیق حاضر اثر پارامترهای مختلف موثر بر هندسه ی موجک ها به طور آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. این مطالعات برای 5 پریود، 5 ارتفاع موج، 3 نوع اندازه ی دانه و تحت اثر امواج منظم و نامنظم در آب شیرین و آب نمک و در ترکیب با مواد ریز دانه ی چسبده در قالب 184 آزمایش در فلوم موج آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی انجام گرفت. در تحقیق حاضر برای اندازه گیری مشخصات موج ورودی، از نرم افزار hr wave data استفاده شده و برای تولید موج نیز از دستگاه مولد موج از نوع دریچه ی لولایی و نرم افزار hr wave maker بهره گرفته شده است. در نهایت هندسه ی موجک های ماسه ای شامل ارتفاع و طول موج موجک ها اندازه گیری شده و با روابط پیش بینی هندسه ی موجک ون ریجن و نیلسن اصلاح شده مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج حاصل از این مطالعات نشان دهنده ی تاثیر ارتفاع موج، پریود موج، اندازه ی دانه، نوع موج، مواد ریز چسبنده و چگال بودن سیال بر اندازه ی ارتفاع و طول موج موجک بوده و امکان مقایسه بین حالات مختلف موج، دانه و سیال را از نظر هندسه ی موجک فراهم می آورد. در نهایت با مقایسه ی حالت های مختلف، امکان پیش بینی رفتار هندسه ی موجک تحت تغییر در پارامترهای موثر بر مکانیسم موجک حاصل می آید. نتایج حاصل نشان می دهد که پریود موج، ارتفاع موج و اندازه ی دانه دارای رابطه ای مستقیم با ارتفاع و طول موج موجک ها می باشند. در ترکیب دانه های ماسه با رس و همچنین در حالت تابش موج نامنظم از نوع پیرسون مسکویچ موجکی تشکیل نشده است. هنگامی که از موج نامنظم از نوع جان سواپ استفاده شده است، در پریودهای بزرگتر از یک، برابر با یک و کوچکتر از یک ثانیه، مشخصات هندسی موجک ها نسبت به موج منظم به ترتیب کوچکتر، تقریباً برابر و بزرگتر از حالت موج منظم می باشند.در خصوص استفاده از آب شور به جای آب شیرین در امواج منظم در پریود هایی برابر با 1/6 و 1/4 مشخصات هندسی موجک ها کوچکتر از آب شیرین، در پریودی برابر با 1/2، بزرگتر از آب شیرین، در پریودی برابر با یک ارتفاع موجک ها نسبت به آب شیرین بزرگتر بوده ولی طول موجشان با نرخ کمتری نسبت به افزایش ارتفاع موج افزایش می یابد. در شرایطی که از امواج نامنظم در آب نمک استفاده شده است در حالت پریودی برابر با 1/4و 1/2 ارتفاع موجک ها با نرخ بیشتری نسبت به افزایش ارتفاع موج در آب شیرین افزایش یافته و در پریود برابر با یک ارتفاع موجک ها نسبت به آب شیرین کوچکتر می باشد. در مورد طول موج موجک ها در امواج نامنظم نیز در پریود های 4/1 و 1/2 و1 مقادیری کوچکتر از حالت مشابه شان در آب شیرین را دارا بودند. لازم به ذکر است که در پریودی برابر با 0/8 در موج منظم نتیجه ی دقیقی قابل ارایه نبوده و در موج نامنظم موجکی تشکیل نشده است. آنچه که در تمامی آزمایش ها مشاهده شده است حاکی از تشکیل موجک هایی متقارن در تمامی حالات می باشد. مقایسه ی شیب موجک های اندازه گیری شده با شیب موجک های محاسباتی از روابط ون ریجن و نیلسن اصلاح شده نشان داد که رابطه ی ون ریجن سازگاری خوبی با مقادیر اندازه گیری شده داشته و رابطه ی نیلسن اصلاح شده، مقادیر شیب موجک را تا حدی دست پایین پیش بینی می نماید.

جریان های لایه بندی شده (ثقلی، چگال) یا جریان هایی که تحت تاثیر نیروهای غوطه وری می باشند در اثر تفاوت چگالی جریان ثقلی با سیال پیرامون خود ایجاد می شوند. در بسیاری از سواحل و مصب ها، مخصوصا در مناطق نزدیک به رودخانه های بزرگ رسوبات چسبنده ی ریزدانه مشاهده می شوند، لایه های ایجاد شده با این رسوبات رفتاری مشابه با رفتار رئولوژیکی سیالات غیرنیوتنی دارد. همچنین در جریان های چگال تنش های رینولدز، غیرایزوتروپیک و ناهمسان هستند، با این وجود مدل آشفتگی k-? خطی معمولا ناتوان از پیش بینی دقیق این جریان ها می باشد. از این رو در این مقاله به توسعه مدل آشفتگی k-? غیرخطی برای درنظر گرفتن بهتر ناهمسانی ها و اعمال رفتار رئولوژیکی برای سیالات غیرنیوتنی گل سیال در مدل هیدرودینامیکی wise می پردازیم. مدل هیدرودینامیک wise (حجازی،2005) یک مدل سطح آزاد بر اساس معادلات ناویر-استوکس میانگین گیری شده رینولدز با شبکه بندی منحنی الخط غیرمتعامد و لغزان می باشد. مدل حاضر برای چند آزمایش انسداد-تبادل شبیه سازی شده و پروفیل های سرعت و غلظت آن، با مقادیر اندازه گیری شده آزمایشگاهی و مدل های عددی مقایسه شده که پیش بینی های قابل قبولی را ارائه می دهد.