ارزیابی نیروهای هیدرودینامیکِ وارد بر یک ذره درحال حرکت در یک سیال همچنان بعنوان یک سیوال اساسی در مدلسازی جریانهای دوفازی به روش اولری – لاگرانژی مطرح می باشد. در مدلسازی به روش اولری – لاگرانژی، میدان جریان سیال به روش اولری و حرکت ذرات به روش لاگرانژی بررسی می شوند. از مزایای این روش توانایی بررسی مسایلی همچون تغییرات چرخش ذرات، برخورد ذرات با هم و با دیوار و ضعف آن زمان طولانی محاسباتی و محدودیت تعداد ذرات می باشد. مدلسازی لاگرانژی حرکت ذره براساس معادله مومنتم ذره که برگرفته از قانون دوم نیوتن می باشد، صورت می گیرد. معادله مومنتم ذره ترکیبی ازنیروهایی است که در تعیین کمی آنها دقت اندازه گیری مشخصات ذاتی ذره و سیال و مولفه های سرعت جریان نقش بسزایی را ایفا می نمایند. همچنین در مدلسازی لاگرانژی، برخورد ذره به دیواره و ارزیابی میزان اتلاف انرژی توسط پارامتری بنام ضریب ارتجاعی صورت می گیرد که دقت اندازه گیری آزمایشگاهی آن از اهمیت بالایی برخوردار است. لذا در این پژوهش با توجه به قابلیت روش اولری– لاگرانژی در مطالعه بنیادی تر حرکت و رفتار ذرات رسوب (رفتار خطی و چرخشی) واعمال شرایط برخورد ذرات با دیواره، این دیدگاه برای ارایه مدل ریاضی انتخاب شده است.در بررسیِ جامعِ بعمل آمده از مطالعات قبلیِ انجام شده در خصوص مدلسازی مسیر حرکت ذرات مشخص گردید که اختلاف زیادی بین نتایج حاصله از مدلسازی عددی و داده های آزمایشگاهی وجود دارد. علت بروز چنین اختلافی را می توان دقت تجهیزات آزمایشگاهی بخصوص دوربین تصویربرداری، روش اندازه گیری و تعیین ضریب ارتجاعی، روش اندازه گیری مولفه های سرعت جریان و عدم ارزیابی صحیح از نیروهای هیدرودینامیکی وارد برذره عنوان نمود. لذا در این مطالعه با استفاده از امکانات و تجهیزات پیشرفته آزمایشگاهی، آزمایشهایی در خصوص بررسی حرکت ذرات مختلف در هوا و آب ساکن و همچنین جریان آب، اندازه گیری اصولی ضریب ارتجاعی حاصل از برخورد ذرات به سطوح مختلف و همچنین اندازه گیری سرعت جریان با استفاده از روشهای uvp و piv نور سفید صورت گرفت. با استفاده از نتایج آزمایشگاهی برخورد ذرات به سطوح مختلف در هوا و آب، ضریب ارتجاعی بعنوان تابعی از سرعت برخورد ذره به دیواره تعیین گردید. در مرحله بعدی، با استفاده از نتایج آزمایشگاهی حرکت ذره در یک سیال ساکن که فاقد سرعت، گرادیان سرعت و در نتیجه نیروهای لیفت برشی و چرخشی حاصل ازآن می باشد، تاثیر نیروی وزن موثر و نیروهای هیدرودینامیکی پسا، جرم مجازی و پیشینه به صورت عددی در پیش بینی مسیر حرکت ذره ارزیابی شد. نظر به اینکه در بررسی حرکت ذرات در جریانِ سیال آب، مولفه های سرعت سیال از جمله پارامترهایی هستند که در مدلسازی لاگرانژی حرکت ذره می بایست مقداری برای آنها منظور گردد، لذا در این مطالعه ابتدا صحتِ نتایجِ اندازه گیریِ سرعت جریان به روش piv نورسفید با استفاده از داده های آزمایش uvp و نتایج روابط تجربی بررسی گردید. سپس یک مدل عددی منطبق بر شرایط آزمایش توسط مدل فلوینت توسعه و میدان جریان شبیه سازی شد. توافق حاصله بین نتایج شبیه سازی و آزمایشگاهی میدان جریان موجب گردید تا نتایج مدل عددی هیدرودینامیک جریان بعنوان مبنای محاسبات و پیش بینی مسیر حرکت ذره توسط مدل لاگرانژی گردد. با استفاده از مدل لاگرانژی تهیه شده در این مرحله که مرکب از نیروهای وزن موثر، پسا، جرم مجازی ، لیفت برشی و لیفت چرخشی می باشد و روش عددی رانگ کوتای مرتبه 4، مسیر حرکت ذرات در لایه مرزی شبیه سازی و نتایج آن با داده های آزمایشگاهی مقایسه گردید. نتایج نشان داد که مدل لاگرانژیِ بررسی حرکت ذره در آب ساکن و در داخل لایه مرزی جریانِ کانال آزمایشگاهی زمانی می تواند موقعیت و سرعت ذره را بطور بهینه و منطبق بر نتایج آزمایشگاهی پیش بینی نماید که علاوه بر انتخاب روش عددی مناسب، عوامل دیگری نظیرضریب ارتجاعی، مولفه های سرعت جریان و مولفه های سرعت خطی و چرخشی ذره که بعنوان شرایط اولیه و مرزی در مدلسازی لاگرانژی نقش ایفا می نمایند، با دقت مناسب بصورت آزمایشگاهی اندازه گیری شده باشند.

یکی از روش های معمول کنترل فرسایش کناری رودخانه ها استفاده از آب شکن می باشد که در صورت طراحی و اجرای صحیح، علاوه بر کنترل فرسایش کناری، منجر به بازیابی و احیای اراضی با ارزش حاشیه رودخانه می شود. این سازه اغلب برای حفاظت دیواره ی خارجی قوس ها و همچنین طرح های اصلاح مسیر رودخانه، به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. یکی از مسائل مهم در طراحی آب شکن ها، پدیده ی آب شستگی موضعی دماغه ی آب شکن می باشد که به علت تنگ شدگی مقطع جریان و وجود گردابه های قوی بوجود می آید. در این تحقیق بررسی آزمایشگاهی راه های کاهش فرسایش در دماغه ی اولین آب شکن انجام می گیرد. برای این منظور از یک آب شکن کوتاه تر(محافظ) در بالادست اولین آب شکن استفاده می شود. تحقیق حاضر در دو فلوم آزمایشگاهی با بستر متحرک با طول 25 متر، و عرض های 3/1 و5/1متر و عمق 8/0 انجام شده است. آب شکن های مورد استفاده صلب و از جنس چوب، مستقیم و بصورت غیرمستغرق بوده اند. تعداد 4 آب شکن اصلی با فاصله مساوی 2 برابر طول آب شکن اصلی و عمود بر دیواره به صورت ثابت استفاده شد. به منظور بررسی تأثیر طول و زاویه ی آب شکن محافظ، یک عدد آب شکن محافظ با طول های ( ) برابرطول آب شکن اصلی و در فواصل (5/1و2و5/2) برابر طول آب شکن اصلی با 3 دبی مختلف در بستر مصالح ماسه و شنی و شیب ثابت مورد آزمایش قرار گرفت. در تمام آزمایش ها آب شکن محافظ، زاویه دار (به شکل قراول روی) نسبت به آب شکن اصلی قرار داده شد. در این آزمایش ها میزان آب شستگی دماغه ی آب شکن اصلی اندازه گیری و با یکدیگر مقایسه شد ه است. نتایج براساس برازش رگرسیونی بر داده های آزمایشگاهی به صورت رابطه ای برای تخمین میزان کاهش آب شستگی دماغه ی اولین آب شکن ارائه شده است.

در این رساله روند تغییرات تراز بستر رودخانه در حالت شبه دو بعدی (s-2d) با استفاده از مدل ریاضی sdar (scour and deposition model of alluvial rivers) که به همیـن منظـور تهیه گردیـده مورد بررسی قرار گرفته است. شبیه سازی تغییرات تراز بستر با استفاده از دو الگوریتم اصلی هیدرولیک و رسوب انجام می گیرد. مدل sdar قادر است تغییرات سرعت جریان، تنش برشی و نرخ انتقال رسوب را در امتدادعرضی شبیه سازی نماید. از اینرو مدل دارای ماهیت شبه دوبعدی(semi two dimensional) است. برای تحقق این ویژگی رودخانه به چند لوله جریان با دبی مساوی ولی مشخصه های هندسی متفاوت تقسیم و در هر لوله جریان روندیابی رسوب و تعیین تغییرات تراز بستر بطور مستقل انجام می شود. در این تحقیقات همچنین با ارائه نظریه لوله جریان بازه ای، اتصال شاخه های جانبی و برداشت آب و رسوب در حالت شبه دوبعدی فراهم گردیده است. لذا محدودیت های مدل های مشابه را ندارد. مطابق این نظریه، مبادله جرم در امتداد عرضی بین لوله های جریان و در محل گره ها امکان پذیر می باشد. این ویژگی حوزه کاربرد مدل و انطباق آن با شرایط طبیعی رودخانه ها را بنحو موثری افزایش داده است. بعلاوه در توسعه مدل sdar دیدگاههای جدیدی در خصوص فرمولبندی میزان فرسایش و رسوبگذاری و تعیین ضخامت لایه فعال و غیرفعال ارادئه گردیده و ساختار محاسباتی آن نسبت به الگوهای موجود تقویت شده است. ایده های قبلی در مورد لایه فعال بررسی ومورداستفاده و تلفیق قرار گرفته و نهایتا یک رابطه جدید برای لایه فعال توسعه یافته که مبنای شبیه سازی تغییرات تراز بستر در مدل قرار گرفته است. از دیگر نو آوریهای مدل sdar تعیین محدوده پارامتر بی بعد ? می باشدکه بر اساس آن میزان فرسایش و رسوبگذاری در مدل کنترل می شود. مطابق بر رسی های انجام گرفته محدوده ? بین 1- تا 1+ تغییر می نماید. در مدل sdar همچنین با استفاده از مفهوم پخش و انتقال راهکار جدیدی برای توزیع مقدار رسوب ورودی از شاخه های جانبی بین لوله های جریان توسعه داده شده و معادله پیشنهادی برای شرایط واقعی در محدوده غلظت های کم ، متوسط و زیاد مورد بر رسی و آزمون محاسباتی قرار گرفته است . مدلسازی رودخانه های آبرفتی دارای مواد بستری غیرچسبنده با جریان های متغیر تدریجی که دارای رژیم زیر بحرانی می باشند به کمک مدل sdar امکان پذیر است. جریان های غیرماندگار نظیر هیدروگراف سیلابها پس از پلکانی شدن بصورت جریان شبه ماندگار به مدل معرفی میشود. برای سنجش قابلیت مدل در شرایط واقعی آزمون های مختلفی با بهره گیری از داده های رودخانه ای و آزمایشگاهی انجام گرفته و نتایج حاصله با مدلهای مرجع، نظیرhec-6 ، fluvial و gstars مقایسه شده است. این بررسیها توانائی مدل را در شبیه سازی تغییرات تراز بستر در شرایط گوناگون تایید می نماید. بویژه ماهیت شبه دوبعدی و تقویت ساختار محاسباتی sdar را در ردیف مدل های مناسب برای مطالعه رفتار مورفولوژیک رودخانه ها بمنظور تدارک اطلاعات کاربردی در عرصه های مختلف مهندسی رودخانه قرار می دهد.