در هیدرولیک مانند سایر حوزه های مکانیک سیالات، جریاناهایی که در حوزه ی کاربردی مشاهده می شوند تقریباً همگی آشفته هستند. این بدان معنی است که حرکت سیال بطور تصادفی، غیر دائمی و سه بعدی می-باشد. غیرهمسان بودن آشفتگی نقش مهمی را در انتقال شار اندازه ی حرکت و اسکالر بازی می کند. بنابراین نمایش صحیحی از غیرهمسانی، عامل اصلی در مدل سازی آشفتگی است. مدل تنش رینولدز جبری اهمیت زیادی در هیدرولیک محیطی، به خصوص در مسائل شبیه سازی غیرهمسانی جریان های لایه ای با چگالی های متفاوت، داراست. درنظرگیری تاثیرات غوطه وری، انحنای خط جریان و چرخش، مزیت استفاده از مدل تنش رینولدز جبری را در مقایسه با مدل آشفتگی دو معادله ای مشخص می سازد. گرچه، به دلیل عبارت ضمنی تنش رینولدز نوشته شده براساس تنسورهای کرنش و غوطه-وری در مدل تنش رینولدز جبری کلاسیک، مجموعه ی معادلات تاحدودی بدوضع شده و همگرایی تکرار ضعیف است. به منظور افزایش پایداری محاسبات عددی، محققان مدل تنش جبری صریح را به عنوان جایگزین مناسبی پذیرفته اند. در این پایان نامه مدل سازی آشفتگی غیرهمسان در جریان های لایه ای با استفاده از مدل تنش رینولدز جبری صریح (easm) انجام گرفته است. مدل هیدرودینامیک مورد استفاده در این پژوهش مدل wise (حجازی، 2005) می باشد که یک مدل سطح آزاد براساس معادلات ناویر- استوکس میانگین گیری شده ی رینولدز است. شبکه بندی مدل از نوع منحنی الخط غیرمتعامد لغزان است، و در آن از مدل آشفتگی k-? غوطه ور برای مدل سازی آشفتگی استفاده شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی آشفتگی با استفاده از توسعه ی مدل تنش رینولدز جبری صریح در مدل wise با مدل آشفتگی موجود k-? غوطه ور در این مدل مقایسه می شود. گسسته سازی معادلات جریان و مدل های آشفتگی براساس روش احجام محدود می باشد. به منظور بررسی صحت مدل و ارایه ی کاربردهای آن در مهندسی هیدرولیک، چهار آزمایش انجام شده است و نتایج عددی با اندازه گیری های آزمایشگاهی و شبیه سازی انجام شده توسط مدل آشفتگی k-? غوطه ور مقایسه شده است. مدل تنش رینولدز جبری صریح (easm) تطابق خوبی را نسبت به مدل آشفتگی k-? غوطه ور، با نتایج آزمایشگاهی نشان میدهد. این مدل نسبت به مدل آشفتگی k-? غوطه ور نتایج بهتری را ارایه میدهد.

جریان های چگال، به ویژه جریان های چگال حرارتی، کاربرد زیادی در مسائل مربوط به هیدرولیک و جریان های آبی دارند. این گونه از جریان ها در تخلیه آلودگی و حرارت از نیروگاه ها و سایر بخش های صنعتی به رودخانه ها و دریا ها و ورود پساب های خانگی و صنعتی به جریان های آبی و هیدرولیکی بسیار رخ می دهد. بنا بر این کاربرد اصلی این گونه جریان ها در بخش های زیست محیطی هیدرولیکی می باشد. جریان های چگال، دارای ماهیتی غیر ایزوتروپ (ناهمسان) می باشند؛ که این امر پیش بینی دقیق آن ها را به ویژه با استفاده از مدل های آشفتگی ایزوتروپ (همسان) مثلا مدل های دو معادله ای استاندارد، با مشکلاتی مواجه می کند. مدل های آشفتگی خطی و استاندارد دو معادله ای، تنش های رینولدز را ایزوتروپ 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، این ناهمسانی که از جنس ناهمسانی تنش است، بروز می کند. به منظور در نظر گرفتن این 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 و رابطه غیر خطی تنش-کرنش در جریان آرام، مدل اشفتگی غیر خطی k-? را بسط داده است، اسپژیال (1987) می باشد. او با ارائه این مدل، صحت آن را در پیش بینی سرعت های ثانویه در داکت ها و جریان عبوری از پله تایید کرد. در این تحقیق، به منظور بررسی دقت این مدل در پیش بینی جریان های چگال لایه ای، به ویژه جریان های لایه ای حرارتی از این مدل استفاده شده است. این مدل غیر خطی به مدل دوبعدی قائم wise (حجازی، 2004) اضافه شد؛ علاوه بر این، حل معادلات انرژی در مدل دیده شد تا نتایج استفاده از این مدل غیر خطی در پیش بینی جریان های چگال حرارتی مورد ارزیابی قرار گیرد. سه تست آزمایشگاهی و عددی حرارتی به منظور بررسی دقت این مدل در پیش بینی جریان های لایه ای حرارتی و یک تست از نوع جریان های غیر لایه ای انجام شد که در جریان های چگال حرارتی، دقت آن اندکی بیش تر از مدل خطی آشفتگی بود. به طور کلی، 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.

سازه های مستهلک کننده انرژی در مواردی که انرژی جنبشی زیاد جریان منجر به خرابی هایی از قبیل فرسایش کانال پایاب، سایش سازه های هیدرولیکی یا پدیده ی آبشستگی شود، از اهمیت زیادی برخوردار می شوند. گرچه مستهلک نمودن انرژی به وجود آمده از وظایف اصلی سیستم های کاهنده انرژی در پایین دست می باشد، ولی کاهش انرژی جریان قبل از تخلیه کامل از سرریز می-تواند سبب کاهش قابل توجه انرژی ورودی به پایاب شده و در نهایت به صرف هزینه های کمتر در ساخت سازه های استهلاک انرژی در پایاب سد منجر شود. از این رو یکی از گزینه های قابل توجه از نظر استهلاک انرژی و همچنین از نظر اقتصادی، استفاده از سرریزهای با مانع می باشد. وجود بلوک بر روی سرریز باعث آشفتگی و هوا گیری بیشتر جریان گشته و با انتشار هرچه بیشتر آن در هوا باعث کاهش مقدار قابل توجهی از انرژی جت می گردند. در تحقیق حاضر جهت بررسی پراکنش جت خروجی از سرریز سد و استهلاک انرژی جریان، طرح های مختلفی از بلوک های شکافنده جریان (از نظر چیدمان، تعداد و ابعاد بلوک) بر روی سرریز نصب و تأثیر آنها در کاهش انرژی هیدرولیکی در پایین دست مطالعه شد. این مطالعات در ابتدا برای 6 شدت جریان مختلف و در قالب 90 آزمایش بر روی سیستم تخلیه سیلاب مدل هیدرولیکی سد خرسان3 در موسسه تحقیقات آب انجام شد. سپس مدل فوق در نرم افزار fluent شبیه سازی گردید و پس از کالیبراسیون و صحت سنجی، به منظور بررسی تأثیر پارامترهایی که در آزمایشگاه مورد بررسی قرار نگرفته است، تغییراتی در چیدمان بلوک های نصب شده بر روی سرریز ایجاد، و روند تغییرات درصد استهلاک انرژی در پایین دست مطالعه شد. در مطالعات مدل فیزیکی حاضر برای اندازه گیری انرژی جت آب خروجی از سرریز، سکویی از جنس پلکسی گلاس که پیزومترهایی بر روی آن تعبیه شده است، ساخته شد و در محل فرود جت آب قرار گرفت. در نهایت فشار جت آب خروجی از سرریز برای حالت های متفاوت چیدمان بلوک، قبل از ورود جت آب به حوضچه استغراق توسط دستگاه ترانسدیوسر اندازه گیری شد. نتایج حاصل از این مطالعات نشان دهنده ی تأثیر هندسه بلوک و نحوه چیدمان بلوکها، بر میزان استهلاک انرژی جت آب خروجی از سرریز، در شدت جریان های مختلف بوده و امکان مقایسه بین حالات مختلف چیدمان بلوک را از نظر استهلاک انرژی فراهم می آورد. در نهایت با مقایسه حالت-های مختلف، معیارهای مناسب مهندسی برای طراحی و استفاده از بلوک های کاهنده انرژی بر روی سرریزهای آزاد حاصل می شود.

برای تخمین و مدل سازی میزان بالاروی و روگذری موج بر روی سطوح شیب دار طبیعی سواحل و همچنین موج شکن ها و دیگر سازه¬های حفاظت ساحلی تاکنون از روش های مختلفی استفاده شده است. اکثر روابط جهت برآورد نرخ سرریزی روابط تجربی هستند که از آزمایشات مدل فیزیکی که در محدوده¬ی خاصی از شرایط امواج انجام شده¬اند تخمین زده می شوند. در این تحقیق برای رفع نقایص و افزایش دقت مدل¬سازی روگذری موج، این پدیده با استفاده از روش بدون شبکه ی لاگرانژی هیدرودینامیک ذرات هموار (sph) مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. در این تحقیق از کد منبع باز sphysics که بر اساس روش هیدرودینامیک ذرات هموار نسبتاً تراکم پذیر (wcsph)می باشد، به مدل سازی مسائل مورد نظر پرداخته شده است و در ابتدا صحت سنجی مدل عددی موجود با استفاده از مدل سازی مسئله‏ی شکست سد و مقایسه ی نتایج محاسباتی با نتایج آزمایشگاهی و نتایج عددی حجم سیال سایر محققین، صورت گرفته است که مطابقت خوبی بین آن¬ها مشاهده می¬شود. در ادامه مدل سازی بالاروی و روگذری موج تنها بر روی سطوح شیب دار ساحلی مورد بررسی قرارگرفته و تراز بالاروی به عنوان معیاری مناسب برای تعیین میزان حجم سرریزی مورد استفاده قرار می گیرد .در این تحقیق مدل موجود برای بررسی شرایط مرزی جدیدی که بتواند تنش اصطکاکی بین سیال و مرز جامد را در نظر بگیرد گسترش یافته است و در ابتدا پیشروی پنجه ستون آب در مسئله شکست سد با در نظر گرفتن اصطکاک بستر، مورد بررسی قرار گرفته و با نتایج آزمایشگاهی و شرایط مرزی موجود در کد مقایسه شده است و در ادامه مسئله¬ی بالاروی موج تنها بر روی ساحل شیب¬دار طبیعی و روگذری از موج شکن واقع بر روی ساحل شیب دار با در نظر گرفتن اصطکاک بستر مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می¬دهد اصطکاک بستر نقش مهمی در کالیبره کردن مدل عددی دارد.