خطوط انتقال آب اغلب دارای مقادیر قابل توجهی افت های ناشناخته است. مقدار افت ها بین 10 تا 50 درصد حجم آب پمپاژ شده برای انتقال است. این افت ها باعث آسیب های زیست محیطی در خطوط انتقال حاوی مواد سمی و خطرناک می شود. همچنین باعث کاهش آب موردنیاز و درنتیجه پمپاژ بیشتر برای تأمین آن می شود که هزینه اقتصادی بیشتری را به خطوط انتقال تحمیل می کند. افت در خطوط انتقال در بیشتر موارد ناشی از نشت و اصطکاک است. نشت بدلیل مدفون بودن خطوط انتقال به صورت آشکار قابل شناسایی نیست و نیاز به روش هایی برای شناسایی آن وجود دارد. هم چنین نشت علاوه بر آسیب های زیست محیطی و اقتصادی بدلیل مدفون بودن خطوط انتقال باعث آسیب به زیر ساخت های سازه ای از قبیل زیر سازی جاده ها و پی ساختمان های مجاور خطوط انتقال نیز می شود. افت ناشی از اصطکاک نیز بدلیل متغیر بودن اصطکاک در طول عمر سازه بوجود می آید . زیرا با بالا رفتن عمر خطوط انتقال رسوب بیشتر شده و لوله از حالت صاف و بدون زبری اولیه خارج می شود. به دلایل ذکر شده شناسایی نشت و کالیبراسیون ضریب اصطکاک در خطوط انتقال موضوع با اهمیتی در صنعت هیدرولیک محسوب می شود. فرآیند نشت یابی و کالیبراسیون ضریب اصطکاک در این پایان نامه با استفاده از روش تحلیل گذرایی معکوس مدل سازی شده است. روش تحلیل جریان گذرای معکوس را به دلیل توانایی انجام همزمان کالیبراسیون ضریب اصطکاک و نشت یابی و همچنین بدلیل عدم نیاز به ایجاد جریان نوسانی که در روش های دیگر موردنیاز است، انتخاب شده است. در روش تحلیل جریان گذرا موج منتشرشده ناشی از ایجاد جریان گذرا بعنوان یک ردیاب برای یافتن نشت استفاده می شود. مدل گذرایی در خطوط انتقال با استفاده از روش مشخصه ها توسعه داده شده است.این روش دقیق ترین نتایج هم? حالت های تفاضل محدود برای معادلات دیفرانسیلی جزئی پیوستگی و مومنتمم توصیف کننده جریان در لوله را توصیف می کند. جریان گذرا با استفاده از مدل سازی عددی به زبان متلب و با استفاده از سیستم مخزن – خط لوله – شیر مدل شده است و با بستن شیر در مدت زمان مشخص جریان گذرا تولید شده است. سپس نوسانات فشار تنها در محل شیر انتهایی اندازه گیری می شوند. مجهولات پارامترهای نشت شامل تعداد، موقعیت و اندازه نشت می باشد. بدلیل بیشتر بودن مجهولات از معلومات، مسئله نشت یابی جزء مسائل معکوس محسوب می شود. و برای یافتن پارامترهای نشت از یک تابع هدف استفاده شده است که هدف آن حداقل کردن اختلاف مربعات بین مقادیر اندازه گیری شده و محاسباتی فشار در خط لوله است. روش تحلیل گذرایی معکوس بدلیل نامعین بودن برای حل نیاز به روش های برنامه ریزی و بهینه-سازی دارد. برای حداقل کردن تابع هدف ذکر شده از الگوریتم ژنتیک باینری استفاده شده است . الگوریتم ژنتیک جزء روش های فراکاوشی محسوب می شود. در مدل سازی الگوریتم ژنتیک به زبان متلب1 پارامترهای نشت تعیین شده است. پارامترهای تأثیرگذار در الگوریتم ژنتیک تقاطع ، جهش ، جمعیت اولیه و جمعیت هر نسل است . در این پایان نامه تأثیر این پارامترها در نشت یابی بررسی شده است. کاربرد روش با چندین مثال در حالت های مختلف بررسی شده است.همچنین تاثیر پارامترهای مهم در الگوریتم ژنتیک در نشت یابی در خطوط انتقال با مثال هایی نشان داده شده است.نتایج نشان می دهد که روش توسعه یافته تحلیل معکوس جریان گذرا در این پایان نامه به خوبی می تواند نشت های موجود در خطوط انتقال را با دقت بالایی ارزیابی کند. و قابلیت توسعه در خطوط انتقال طولانی و در حالت واقعی را دارد.

ته نشینی به وسیله نیروی ثقل از معمول ترین و پرکاربردترین روشهای جداسازی ذرات جامد معلق در آب و فاضلاب می باشد. حوضچه های رسوب گذار از اجزاء مهم و اصلی در هر فرآیند تصفیه آب به شمار می روند. به دلیل هزینه بسیار زیاد ساخت و نگهداری این حوضچه ها، که در حدود 30% کل هزینه تصفیه خانه ها را به خود اختصاص می دهد، عملکرد بهینه حوضچه های ته نشینی بسیار حائز اهمیت است. لذا انجام تحقیقات در مورد شناخت هیدرولیک جریان از طریق شبیه سازی عددی حوضچه های اولیه که غلظت رسوب در آنها کم است و هیدرولیک جریان نقش برجسته ای را ایفا می کند، برای بهبود عملکرد آنها بسیار ضروریست. نواحی چرخشی همیشه در حوضچه های رسوب گذار ایجاد می شوند. این مناطق با کاهش حجم موثر حوضچه از عملکرد مطلوب آن جلوگیری می کنند. در نتیجه یکی از اهداف اصلی در مدلسازی های عددی، شناخت طول و حجم این نواحی و سعی در کاهش دادن آن درحوضچه-ها با استفاده از مدلسازی آشفتگی می باشد. شبیه سازی های عددی موجود در این پایان نامه با استفاده نرم افزار fluent ver 6.3.26 انجام شده است. در این پایان نامه سعی شده است که در ابتدا با مدلسازی چند حوضچه ته نشینی ساده با هندسه های مختلف و مقایسه نتایج پروفیل های سرعت و آشفتگی با نتایج آزمایشگاهی محققین گذشته، از رفتار جریان درون حوضچه های ته نشینی شناخت کافی حاصل شود. در این میان کلیه شبیه سازی ها در هر دو حالت دوبعدی و سه بعدی انجام شده اند و نتایج این شبیه سازی های دوبعدی و سه بعدی برای بررسی لزوم مدلسازی سه بعدی با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج مدل سازی سه بعدی باعث کاهش خطای ایجاد شده در مدل دوبعدی شده و جزئیات هیدرولیکی سیستم، مثل حجم نواحی چرخشی و چرخش ایجاد شده در گوشه ها را به خوبی نمایش می دهد. سپس با تغییر جایگاه ورودی حوضچه که نقش مهمی در رفتار جریان موجود در حوضچه ایفا می کند و همچنین با قرار دادن دیواره های هدایت کننده جریان با شرایط مختلف در مقابل ورودی، اثرات بخش ورودی حوضچه بر روی هیدرودینامیک جریان، به صورت دوبعدی و سه بعدی بررسی شده است. در انتها با شبیه سازی یک مدل سه بعدی و تغییرات هندسه ورودی در عرض حوضچه، که در مدل دوبعدی امکان پذیر نمی باشد، اهمیت مدلسازی سه بعدی و چگونگی رفتار جریان در مدل جدید شبیه سازی شده نیز بررسی شده است. این مدل اصلاح شده که دارای بازشو در دیواره هدایت کننده جریان بوده و دارای تغییراتی در شرایط ورودی حوضچه بوده است، از حجم نواحی چرخشی ایجاد شده در حوضچه کاسته و باعث افزایش حجم موثر حوضچه می شود که در نتیجه شرایط مساعدتری برای ته نشینی ذرات ایجاد خواهد شد.

نشت ها در خطوط لوله به دلایل مختلفی از جمله کیفیت پایین مصالح لوله، خطا در بهره برداری و حفاظت، فرسایش، فشارهای بالا در درون یا خارج لوله ها رخ می دهند که منجر به کاهش در تولید، آسیب به محیط زیست، افزایش استفاده از انرژی و نیاز به افزایش ظرفیت پمپ می شوند. روشن است که به تلاش های بیشتری در زمینه کاهش افت ها و افزایش کارایی انرژی نیاز می باشد. روش های نشت یابی مختلفی تاکنون معرفی شده اند لیکن در این تحقیق تنها به بررسی دو روش نشت یابی بر پایه جریان گذرا پرداخته شده است. این تحقیق به طور عمده شامل سه قسمت زیر می باشد: 1- افزودن مدل اصطکاک ناماندگار به مدل جریان گذرا 2- بررسی اثرات ضریب اصطکاک ناماندگار و مدت زمان بستن شیر در رینولدزهای مختلف به منظور تعیین شرایط مناسب نشت یابی با استفاده از روابط انرژی 3- تایید نتایج بدست آمده با استفاده از روش نشت یابی معکوس به منظور واسنجی موفق نشت، لازم است شبیه سازی صحیحی از جریان گذرا انجام شود. یکی از عدم قطعیت هایی که در این زمینه وجود دارد، شبیه سازی ضریب اصطکاک می باشد. سابقاً اصطکاک در حین جریان گذرا با استفاده از اصطکاک تقریبی ماندگار، مانند معادله دارسی- ویسباخ مدل می شد، ولی محققین (daily ) به این نتیجه رسیدند که تقریب اصطکاک ماندگار استهلاک کمتری در مقایسه با واقعیت ایجاد می کند. از این رو مدل های بسیاری به منظور تعریف این کمبود استهلاک معرفی شدند. در این تحقیق تنها به مدل اصطکاک ناماندگار brunone و همکاران ، بر پایه شتاب لحظه ای سیال پرداخته می شود و دو روش تقریبی1 و روش تقریبی2 برای افزودن رابطه اصطکاک ناماندگار به شبکه خطوط مشخصه پیشنهاد می شود. پس از آن اثرات ضریب اصطکاک ناماندگار با معرفی یک مثال در شرایط مختلف و اندازه های مختلف شدت جریان نشت، یکبار با استفاده از روابط انرژی و بار دیگر با استفاده از روش های نشت یابی، بررسی می شود و به دنبال آن نوآوری هایی ارائه می شود.

چکیده مطالعه جریان آشفته عبوری بر روی موانع به دلیل کاربرد فراوان آن یکی از زمینه های تحقیقاتی موردعلاقه مهندسین در رشته های مکانیک، هوافضا و عمران می باشد. در دهه های اخیر اکثر تحقیقات انجام شده در مهندسی هیدرولیک مربوط به هیدرولیک جریان در اطراف پایه های پل می-باشد و به مطالعات هیدرولیکی انجام شده در اطراف موانع با حضور سطح آزاد کمتر پرداخته شده است که این عامل باعث محدود شدن دانش ما از هیدرولیک جریان اطراف موانع مستغرق از قبیل سازه های قرار گرفته در بستر دریاها و رودخانه ها می شود. به همین دلیل در این تحقیق شبیه سازی عددی جریان آشفته عبوری بر روی موانع قرار گرفته در یک کانال باز مورد مطالعه قرار گرفته است. در ابتدا با استفاده از نرم افزار fluent هیدرولیک جریان در اطراف یک آبپایه و جریان اطراف پله به صورت دوبعدی شبیه سازی شده اند و سپس مدل آزمایشگاهی استوانه کاملاً مستغرق نیز به-صورت سه بعدی شبیه سازی شده است. مقایسه پروفیل های سرعت و آشفتگی تطابق خوبی بین نتایج عددی و آزمایشگاهی را ارائه می دهد. به منظور بررسی اثر تغییر هندسه مانع بر روی مشخصات دنباله ایجاد شده در پایین دست آن، علاوه بر تغییر لبه آبپایه از حالت سینوسی شکل به لبه گردگوشه و راست گوشه، نسبت طول (a) به ارتفاع مانع (h) نیز تغییر داده شده است. درادامه نیز به منظور مطالعه اثرات ناشی از تغییر عمق جریان بر روی میدان جریان اطراف موانع، نسبت های d/h مختلف (عمق جریان به ارتفاع مانع) نیز به نمونه ها اضافه شده اند و نتیجتاً میدان جریان به صورت دوبعدی شبیه سازی شده است. نتایج نشان می دهند که طول ناحیه چرخشی، طول لازم برای بازگشت جریان به حالت اولیه، میدان سرعت و پارامترهای آشفتگی تابعی از هندسه موانع و نسبت d/h می باشند. درانتها میدان جریان ایجاد شده در اطراف یک مکعب نیز به صورت سه بعدی شبیه سازی شده و تغییرات ایجاد شده در میدان سرعت و آشفتگی در پایین دست آن با نتایج حاصله از استوانه با یکدیگر مقایسه شده اند. ازطرف دیگر ساختار جریان در پایین دست موانع براساس مدل wall-wake آنالیز شده اند که تطابق بسیار خوبی بین نتایج عددی و آزمایشگاهی و تئوری دیده می شود و درحالت دوبعدی نیز ضرایب تغییر یافته ای برابر با 858/7a= و 48/1b= برای قانون جداره در پایین دست موانع پیشنهاد شده اند.

آبگیرها عموماً در شبکه های توزیع آب، کانال های آبیاری، شبکه های فاضلاب، تاسیسات مربوط به تصفیه خانه های آب و فاضلاب، ورودی به تاسیسات تولید برق و غیره مورد استفاده قرار می گیرند. در نواحی خشک و نیمه خشک که جریان سیلاب حاوی رسوبات زیادی می باشد، بخشی از رسوبات همراه جریان وارد کانال آبگیر شده و در قسمتهای مختلف کانال از جمله در ناحیه گردابی ورودی کانال آبگیر که معروف به ناحیه جدایی جریان می باشد، ترسیب می کند. عدم کنترل رسوب ورودی به آبگیرها باعث انتقال رسوبات به داخل کانالهای آبیاری و تاسیسات شده و مشکلاتی را برای قسمت های مختلف بوجود می آورد. به علت وجود ذرات معلق در آب، خسارت زیادی نیز به تاسیسات بکار رفته مثل پمپ و توربین وارد می گردد. از اینرو شناخت ابعاد ناحیه گردابی در ورودی کانال آبگیر از اهمیت زیادی برخوردار می باشد. همچنین اکثر ایستگاه های پمپاژ رودخانه ای مشکل رسوبگذاری در دهانه آبگیری و حوضچه مکش را دارند که این مسئله باعث می شود که چندین بار در سال نیاز به رسوبزدایی داشته باشند که هزینه بهره برداری از اینگونه ایستگاه ها را بطور قابل ملاحظه ای افزایش می دهد. برای این منظور فراهم نمودن شرایطی با ویژگی های مناسب جهت جلوگیری از رسوبگذاری در دهانه آبگیر ایستگاه های پمپاژ بسیار حائز اهمیت است. در این مطالعه، ابتدا شبیه سازی عددی هیدرولیک جریان در آبگیری از مسیر مستقیم یک کانال مستطیلی به کمک نرم افزار ssiim2 صورت گرفته است. محاسبات جریان در حالت سه بعدی بر مبنای قیاس بین مدل های آشفتگی مختلف موجود در نرم افزار انجام شده که بر اساس مقایسه پروفیل های سرعت جریان با نتایج آزمایشگاهی، مدل آشفتگی k-? بهترین نتایج را نشان داده و بر اساس این مدل آشفتگی، پروفیل های انرژی جنبشی آشفتگی در مقاطع مختلف عرضی نیز مورد بررسی قرار گرفت. در این بخش، از میان پارامترهای اصلی موثر بر جریان، اثر نسبت عرض دو کانال، زاویه آبگیری، عدد فرود جریان ورودی و نسبت دبی توزیع شده در دو کانال بر ابعاد ناحیه جدایی جریان (مقدار طول و عرض ناحیه چرخشی ایجاد شده در دهانه آبگیر) مورد بررسی قرار گرفته و نتایج عددی حاصله با نتایج آزمایشگاهی و عددی سایر محققین مقایسه و مطابقت خوبی بین آنها دیده شد. سپس با احتساب نتایج حاصله، روابط کلی جهت پیش بینی پارامترهای موثر بر جریان پیشنهاد گردید. در بخش دوم این مطالعه جهت بررسی رسوب جریان، شبیه سازی عددی جریان رسوبی در آبگیری از مسیر مستقیم کانال مستطیلی صورت گرفت. از میان پارامترهای اصلی موثر بر جریان، شکل مقطع عرضی کانال، شیب کانال های اصلی و آبگیر و شکل دهانه ورودی ثابت در نظر گرفته شد و اثر زوایای آبگیری 45 الی 90 درجه، نسبت دبی آبگیری 2/0 الی 57/0 و عدد فرود جریان ورودی 32/0 الی 48/0 بر نسبت رسوب ورودی به آبگیر بررسی شد و با نتایج آزمایشگاهی مورد مقایسه قرارگرفتند که مطابقت خوبی بین مقادیر حاصله و نتایج آزمایشگاهی دیده شد. سپس جهت بررسی عددی روش های کنترل رسوب، تاثیر صفحات مستغرق، طول آبشکن و فاصله آن از مقابل دهانه آبگیر به ازای نسبت های مختلف دبی آبگیری بررسی شد. نتایج تحقیق نشان می دهد که کارآیی صفحات با احداث آبشکن در ضلع مقابل آبگیر افزایش پیدا کرده و مقدار ورود رسوبات به آبگیر کاهش پیدا می کند. همچنین با جابجایی آبشکن به اندازه دو برابر عرض دهانه آبگیر به بالادست کانال اصلی، مقدار ورود رسوبات به آبگیر به طور متوسط 36% کاهش می یابد. سپس نتایج عددی حاصله با نتایج آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار گرفتند که مطابقت خوبی بین مقادیر حاصله و نتایج آزمایشگاهی دیده شد. سپس در بخش آخر، با توجه به نتایج خوب بدست آمده از بخش های قبلی، به منظور بررسی الگوی جریان و نحوه رسوبگذاری در محل دهانه آبگیر ایستگاه های پمپاژ، به بررسی تاثیر پارامترهای مختلف موثر از جمله مانور منظم و نامنظم دهنه های مختلف آبگیری، عدد فرود جریان ورودی، زاویه آبگیری و نسبت عرض دهانه آبگیری به عرض کانال اصلی بر میدان هیدرولیک و رسوب در مقابل دهانه آبگیر یک ایستگاه پمپاژ واقعی صرفاً بصورت عددی پرداخته شد و با احتساب نتایج حاصله، روابطی جهت پیش بینی پارامترهای موثر بر میدان هیدرولیک و رسوب جریان پیشنهاد گردید.

یکی از ارکان اصلی در طراحی سرریز سد هواده ها می باشند که به منظور جلوگیری از خسارات ناشی از تخریب بدنه سرریز در اثر پدید? کاویتاسیون در سرریز های شوت تعبیه می شوند. بررسی تاثیر عوامل گوناگون در بهبود طراحی بهینه سرریز و هواده ها باعث صرفه جویی در هزینه های احتمالی ناشی از تخریب سرریز در اثر پدیده های مختلف طبیعی از قبیل سیل و کاویتاسیون و نیز پدیده های مختلف انسانی ناشی از دخل و تصرف در اکوسیستم طبیعت می گردد. یکی از عوامل مهم در طراحی سرریزها سد، انتخاب مناسب شیب می باشد. در این پایان نامه سعی شده است تا تاثیرات شیب تنداب سرریز بر روی میدان جریان در نواحی اطراف هواده ها مورد آزمون و ارزیابی قرار گیرد. در مرحله نخست به منظور بررسی و مقایسه پارامترهای هیدرولیکی و نیز هوارسانی هواده ها، بر روی سه مدل هیدرولیکی سرریز سدهای آزاد، جره و گتوندعلیا که دارای شیب های متنوعی می باشند، در موسسه تحقیقات آب تهران چهارده آزمون برای جریان های مختلف ورودی صورت گرفت و نتایج مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت. سپس مدل هیدرولیکی سرریز آزاد در نرم افزار flow-3d شبیه سازی و پس از صحت سنجی به ازای شیب های تنداب متنوع، شرایط میدان جریان در اطراف هواده شبیه سازی و مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت. در ادامه، سه مدل هیدرولیکی سرریزهای آزاد، جره و گتوندعلیا که دارای هواده های مشابهی بودند، به ازای چهارده دبی جریان مورد مطالعه قرار گرفتند. میدان جریان ( شامل فشار استاتیک وارد بر کف تنداب ، زیر فشار رمپ، سرعت و عمق جریان)، در طول و عرض تنداب، واقع در بالادست و پایین دست هواده ها و نیز دبی هوای ورودی به هواده ها و نیز طول جت پرتابی برداشت و مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین داده های حاصل با روابط برخی محققین مورد مقایسه قرار گرفتند. سپس رابطه ای برای نسبت دبی هوای ورودی به دبی جریان ارائه گردید که از ضریب رگرسیون قابل قبولی برخوردار می باشد. در مرحله بعد، این رابطه، نسبت به شیب تنداب سرریزها در هر یک از مدل های مذکور حساسیت سنجی شد. در مرحله دوم تحقیقات از آنجایی که قابلیت تغییر شیب در مدل های هیدرولیکی در آزمایشگاه وجود نداشت، برای بررسی میزان تغییرات میدان جریان در اثر تغییر شیب هایی که نتایج ازمایشگاهی موجود نبود از نرم افزار flow-3d استفاده گردید. مزیت این تحقیق نسبت به تحقیقات قبلی صورت گرفته با این نرم افزار مدل سازی ورود هوا به جریان هم از طریق سطح جریان و هم از طریق کف تنداب در منطقه هوادهی میباشد. در این راستا، مدل هیدرولیکی سرریز آزاد در این نرم افزار مدل سازی گردید. پس از انجام صحت سنجی مدل توسط داده های حاصل از آزمایشگاه که از دقت مناسبی برخوردار شدند، مشخص گردید که در ناحیه پس از برخورد جت آب با تنداب به دلیل حضور یک ناحیه چرخشی قبل از نقطه برخورد و اندرکنش آن با دو فاز هوای زیر تیغه جت آب و جریان جاری بر روی سرریز بیشترین نوسان فشار دیده می شود. سرعت و عمق جریان با دقت مناسبی شبیه سازی گردیدند. شیب تنداب مدل در پنج حالت گوناگون دیگر برای جریان­های مختلف شبیه سازی شدند. نتایج حاصل از این شبیه سازی ها در شرایط هندسی مشابه و فرود کنترل ثابت مورد مقایسه و مطالعه قرار گرفتند. نتایج نشان دادند که در حالت کلی، افزایش شیب تنداب، باعث کاهش فشار وارد بر کف، کاهش عمق و افزایش سرعت جریان می گردد.

پیشرفتهای علم و فناوری سد سازی در دهه های اخیر، امکان احداث سدهای مرتفعتر را فراهم کرده است. روند رو به رشد احداث سدهای بزرگ خاکی و بتونی در سالهای اخیر نیز موید این واقعیت است. نکته حائز اهمیت این است که در طراحی این سازه ها و کلیه ملحقات آنها می بایستی اصول مهندسی به طور کامل لحاظ گردد و لازمه این امر نیز شناخت صحیح و کامل از قوانین حاکم و پدیده هایی است که با این علم در ارتباط هستند. در غیر این صورت احتمال بروز خسارات جبران ناپذیری وجود خواهد داشت که علاوه بر تحمیل هزینه های اضافی بر طرح، حتی می تواند سلامت سازه را نیز به مخاطره بیندازد. برای اینکه سدها بتوانند کارایی لازم برای اهداف مهندسی که بر اساس آنها طراحی شده اند را برآورده سازند، نیاز به سازه های هیدرولیکی با اهداف مشخص دارند که یکی از مهمترین این سازه های هیدرولیکی سرریزها هستند. سرریزها از جمله سازه های هیدرولیکی مهمی هستند که برای تخلیه سیلاب استفاده می شوند و در پایداری سدها نقش اساسی ایفا می کنند. سرریز ها باید قادر باشند تا حجم آبی با دبی بزرگترین سیلاب محتمل در حوزه آبریز سد را در مدت زمان کوتاهی تخلیه کنند. یکی از پر کاربردترین سریزها سرریز شوت است که این سرریزها معمولا برای انتقال جریانهای معمولی یا سیل از روی تاج یک سد به سمت بستر رودخانه پایین دست سد استفاده می شوند. به عبارت دیگر سرریزهای شوت در واقع سازه های هیدرولیکی هستند متشکل از کانالهای باز که معمولا برای عبور دادن آب مازاد یا جریان آب ناشی از سیل، که بیشتر از ظرفیت تخصیص داده شده برای مخزن سد می باشد، از دریاچه سد به سمت رودخانه پایین دست ایجاد می شوند. کارکرد این سازه های هیدرولیکی این است که از پایداری سازه ای سد با تلف کردن مقداری از انرژی جریان آب و جلوگیری از خرابی و خوردگی دیواره های دره پایین دست سد که بستر رودخانه را تشکیل می دهند و خرابی آنها ممکن است به پایداری سد آسیب برساند، جلوگیری کنند. بنابراین طراحی هیدرولیکی ایمن سرریزهای شوت، در جلوگیری از حوادث فاجعه بار که ممکن است این سیستم انتقال آب ایجاد کند، از اهمیت زیادی برخوردار است. امتیازهای سرریزهای شوت معمولا عبارتند از طراحی و اجرای ساده، سازگاری مناسب با تقریبا هر شرایطی از فونداسیون و همچنین صرفه اقتصادی. ولی از طرف دیگر، جریانهای با سرعت بالا و دارای سطح آزاد معمولا در این سرریزها بوجود می آیند که باعث ایجاد فشارهای پایین و احتمال وقوع خرابی های ناشی از پدیده کاویتاسیون در کف و دیواره های کانال انتقال می شوند. پدیده کاویتاسیون روند تکرار شونده ایجاد و انفجار حبابها یا حفره ها در داخل یک سیستم سیال به علت نوسانات فشار می باشد. در عمل، در سرریزهای شوت به دلیل وجود عدد فرود و سرعت جریان بالا و وجود نوسانات فشار، خرابی های ناشی از پدیده کاویتاسیون ممکن است اتفاق بیافتد. حفره ها یا حبابهای ناشی از پدیده کاویتاسیون معمولا به علت دو نوع مکانیسم مختلف ایجاد می شوند که عبارتند از کاویتاسیون گازی و کاویتاسیون ناشی از بخار . کاویتاسیون گازی به علت وجود گاز حل نشده در داخل جریان آب و هنگامی که فشار کمتر از فشار اشباع گازها باشد، اتفاق می افتد که این نوع از کاویتاسیون خطری ندارد. در مقایسه، کاویتاسیون ناشی از بخار هنگامی اتفاق می افتد که فشار از فشار بخار آب کمتر شود که این پدیده کاویتاسیون می توان منجر به خرابی شود. حبابهای ایجاد شده ناشی از پدیده کاویتاسیون مخرب در ناحیه ای که پدیده کاویتاسیون اتفاق می افتد، بعد از آنکه توسط جریان به سمت پایین دست حمل می شوند و به نواحی با فشار بالاتر می رسند، در نزدیکی کف بتنی کانال منفجر می شوند و ایجاد موجهای فشاری در سطوح بسیار کوچک در نزدیکی کف کانال می کنند. این روند تکرار شونده ایجاد و انفجار حبابها می تواند به خرابی تدریجی و ناشی از خستگی مصالح کف کانال و در نتیجه کنده شدن تدریجی مصالح بتن کف کانال شود. یکی از روشهای عملی برای از بین بردن پدیده کاویتاسیون یا کاهش دادن خطرات ناشی از این پدیده، استفاده از سیستمهای هوادهی می باشد. علت استفاده از سیستمهای هواده برای جلوگیری از خرابی های ناشی از پدیده کاویتاسیون این است که با اضافه کردن هوای کافی در نزدیکی کف کانال، تراکم پذیری آب در این ناحیه افزایش پیدا می کند که باعث می شود این ترکیب دو فازه آب-هوا بتواند به علت خاصیت ارتجاعی خود، انرژی موجهای فشاری ایجاد شده ناشی از پدیده کاویتاسیون را تلف کرده و این موجها را میرا کند. به عبارت دیگر در مجاورت مرزهای صلب، هوای موجود در جریان به صورت المانهای قابل ارتجاع عمل می کند و باعث اتلاف انرژی ناشی از انفجار حبابها می گردد. به طور دقیقتر باید ذکر شود که هواده موجب می شود که جریان به صورت یک جت از کف سرریز جدا شود تا هوا از سطح زیرین جت نیز وارد آن گردد. بدین ترتیب غلظت هوا در نزدیکی سطح صلب زیاد می شود و از خسارات ناشی از کاویتاسیون جلوگیری به عمل می آید. این امر با طراحی یک سیستم هوادهی شامل طراحی هندسه سازه هواده، مشخصات هیدرولیکی جریان در اطراف و روی هواده و جانمایی و محل هواده ممکن می گردد. پیشرفت کامپیوتر باعث شده است که مسائلی که در گذشته از لحاظ تئوریک پیشرفت زیادی کرده بودند ولی قابلیت بکارگیری عملی آنها به علت عدم وجود یک دستگاه محاسباتی کارآمد وجود نداشت، در سالهای اخیر به صورت کاربردی در علوم مختلف استفاده شوند. یکی از علوم محاسباتی کارآمدی که پیشرفت علوم کامپیوتری استفاده عملی از آنها را فراهم کرده، الگوریتمهای تحلیل عددی قابل برنامه نویسی توسط کامپیوتر می باشند. یک دسته از این الگوریتمهای تحلیل عددی، الگوریتمهای مبتنی بر دینامیک سیالات محاسباتی (cfd) می باشند که امکان حل دسته معادلات پیچیده مشتق جزیی حاکم بر پدیده های دینامیک سیالات را در صورت مشخص بودن شرایط مرزی و اولیه مساله، فراهم می کنند. به علاوه، پیشرفت علوم کامپیوتری در سالهای اخیر باعث شده است که تئوری های کاربردی جدیدی در علوم ریاضیات شکل بگیرند که با استفاده از آنها بتوان مکانیسمهای تفکر انسانی را شبیه سازی نمود که این موضوع منجر به پدید آمدن تکنیکهای هوش مصنوعی شده است. یکی از تئوری های بسیار موثر در تکنیکهای هوش مصنوعی، تئوری فازی می باشد که هدف اصلی آن شبیه سازی کامپیوتری قضاوت انسانی بر اساس تجربیات حاصل از مشاهده رفتار پدیده مورد بررسی و با استفاده از الگوریتمهای قابل برنامه ریزی با کامپیوتر می باشد. در این راستا، سیستمهای فازی یکی از ابزارهای نیرومندی می باشند که تئوری فازی ارائه می کند که این سیستمها در صورت طراحی و آموزش درست، قابلیت تخمین و شبیه سازی هر پدیده ای را با دقت تعیین شده دارند. عملکرد سیستمهای فازی مبتنی است بر یک پایگاه قواعد متشکل از قوانین از پیش تعیین شده که بر اساس تجربه یک موجود خبره از پدیده مورد بررسی جمع آوری شده است و این سیستمها با اتکا به این پایگاه قواعد و بر اساس تئوری های مطرح شده در تئوری فازی، قادرند با دقت معینی رفتار پدیده مورد بررسی را پیشبینی و شبیه سازی کنند. تئوری فازی بر اساس تعریف جامعتری از مجموعه های ریاضی شکل گرفته است و در واقع مجموعه های فازی که اساس تئوری فازی را تشکیل می دهند از ایجاد اصلاحاتی در مجموعه های کلاسیک شکل گرفته اند که این اصلاحات قابلیت مدلسازی قضاوت انسانی و هوشمند را در تئوری فازی فراهم می کنند. در مجموعه های کلاسیک، تعلق یا عدم تعلق به یک مجموعه معنی دارد و حالت بینابینی وجود ندارد. در مقایسه، در مجموعه های فازی تعلق به یک مجموعه با یک درجه تعلق تعریف می شود که توسط تابع تعلق مجموعه فازی بیان می شود. در نتیجه مجموعه های فازی در مقایسه با مجموعه های کلاسیک این انعطاف پذیری را دارند که بتوان با بکارگیری آنها یک قضاوت هوشمند و دقیق را با داشتن اطلاعاتی از رفتار گذشته یک پدیده، از رفتار آینده یا مشاهده نشده آن پدیده ارائه نمود. با استفاده از قابلیتهای انعطاف پذیر مجموعه های فازی، این امکان فراهم شده است که بتوان قضاوت مهندسی مناسب و دقیقی را از یک پدیده با استفاده از یک الگوریتم برنامه نویسی شده توسط کامپیوتر ارائه داد. قابلیتهایی که تئوری فازی در اختیار مهندسین قرار داده باعث شده است که در سالهای اخیر، تئوری فازی در بسیاری از مسائل مهندسی از جمله مهندسی عمران و مکانیک بکار گرفته شود و به خصوص سیستمهای فازی به طور گسترده و موفقی در تخمین رفتار پدیده های پیچیده بکاربرده شده اند. در این راستا، سیستمهای فازی، الگوریتمهای محاسباتی بسیار ارزانتری را در مقایسه با روشهای عددی مرسوم از جمله دینامیک سیالات محاسباتی فراهم کرده اند که می توان با استفاده از آنها مسائل مطرح در مهندسی آب را با صرف زمان و هزینه کمتری در مقایسه با دینامیک سیالات محاسباتی تحلیل نمود. هدف از انجام پایان نامه حاضر این است که یک سری تحقیقات آزمایشگاهی بر روی عملکرد هیدرولیکی هواده ها در سرریز شوت ترتیب داده شود. در این پایان نامه، اندازه گیری های آزمایشگاهی بر روی مقدار هوای ورودی به جریان بوسیله سیستم هواده ارائه شده است. این آزمایشات در آزمایشگاه موسسه تحقیقات آب ایران بر روی مدل هیدرولیکی مقیاس شده سرریز سد داریان انجام شده است. همچنین باید ذکر شود که به منظور تعیین مکان مناسب سیستم هواده در سرریز شوت، ناحیه محتمل برای وقوع کاویتاسیون باید تعیین شود. با این هدف در این پایان نامه یک سیستم فازی آموزش داده شده است برای اینکه بتوان پدیده کاویتاسیون را در سرریز شوت پیشبینی کرد. به منظور آموزش دادن و کنترل کردن سیستم فازی، اطلاعات بدست آمده از اندازه گیری های آزمایشگاهی استفاده شده است. همچنین یک الگوریتم کمترین مربعات برای آموزش دادن سیستم فازی به طوری که سیستم فازی کارایی مطلوب را نشان دهد، استفاده شده است. سیستم فازی ارائه شده دارای توانایی بدست آوردن اندیس کاویتاسیون به ازای دبی های عبوری مختلف سرریز و در مکانهای مختلف در سرریز می باشد. مقایسات انجام شده نشان داده است که کاویتاسیون پیشبینی شده توسط سیستم فازی تطابق خوبی با نتایج اندازه گیری های آزمایشگاهی دارد. در نهایت در این پایان نامه یک رابطه تجربی برای تعیین میزان هوای ورودی به جریان به وسیله سیستم هواده نصب شده ارائه شده است و نتایج حاصل از آن با فرمولهای تجربی دیگر و همچنین نتایج حاصل از اندازه گیری های آزمایشگاهی مقایسه شده است. با توجه به موارد گفته شده، ترتیب مطالبی که در ادامه در پایان نامه حاضر ارائه می شوند به این صورت است فصل دوم پایان نامه به طور خلاصه به جوانب مختلف پدیده کاویتاسیون در سرریزها می پردازد و سعی می شود در این فصل با مطالعه و مرور تحقیقات گذشته، یک جمع بندی درباره رفتار جریان بر روی هواده و مکانیزم هواگیری ارائه شود. در فصل سوم پایان نامه، مدل فیزیکی ساخته شده از سرریز سد داریان که ابتدا بدون نصب سیستم هواده ساخته شده توضیح داده می شود و به ازای دبی های مختلف عبوری از سرریز، عدد کاوتاسیون در نقاط مختلف سرریز محاسبه می شود و همچنین وسایل اندازه گیری مورد استفاده در آزمایشگاه و خطاهای مربوط به آنها توضیح داده می شوند. در فصل چهارم این پایان نامه، سیستمی فازی برای تخمین اندیس کاویتاسیون در مکانهای مختلف مدل فیزیکی سرریز، آموزش داده می شود تا با استفاده از این سیستم فازی بتوان ناحیه ای از سرریز را که احتمال بروز خرابی های ناشی از پدیده کاویتاسیون در آن زیاد است مشخص نمود. برای ایجاد این سیستم فازی، ابتدا پارامترهای ورودی-خروجی سیستم فازی تعریف می شوند و سپس با هدف ساختن پایگاه داده های فازی، مجموعه های فازی در فضای ورودی تعیین می شوند. در مرحله بعدی ساختار کلی سیستم فازی استفاده شده در این پایان نامه بدست آمده و اصول تئوریک استفاده شده برای این کار تشریح می شوند. سپس به کمک یک الگوریتم کمترین مربعات خطای بازگشتی و با استفاده از داده های ورودی-خروجی بدست آمده از نتایج آزمایشگاهی، سیستم فازی برای عملکرد مناسب آموزش داده می شود. در نهایت با استفاده از داده های بدست آمده از اندازه گیری های آزمایشگاهی، سیستم فازی آموزش داده شده کنترل می شود. بعد از مشخص شدن ناحیه محتمل رخ دادن پدیده کاویتاسیون، در فصل پنجم پایان نامه مدل فیزکی ساخته شده از سرریز که در آن در محل وقوع کاویتاسیون سیستم هواده نصب شده است تشریح می شود. در مدل فیزیکی ساخته شده از سرریز با هواده، کارایی سرریز به همراه سیستم هواده بررسی می شود. در نهایت در این فصل، با استفاده از اطلاعات اندازه گیری شده در آزمایشگاه، یک رابطه تجربی برای محاسبه سرعت هوای عبوری از سیستم هواده ارائه می شود. این رابطه تجربی قابلیت بدست آوردن سرعت هوای گذرنده از سیستم هواده را با داشتن سرعت آب گذرنده از لبه رمپ هواده و زاویه جت آب در محل لبه رمپ هواده با افق، دارد. همچنین نتایج حاصل از رابطه تجربی بدست آمده، در این فصل با نتایج آزمایشگاهی و چند فرمول تجربی دیگر مقایسه می شود. در نهایت در فصل ششم، بعد از ارائه یک جمعبندی از مطالب مطرح شده و نتایج بدست آمده در این پایان نامه، پیشنهاداتی برای ادامه تحقیقات انجام شده در این پایان نامه، آورده شده است.

یکی از سازه های مهم در زمینه ته نشینی رسوب، حوضچه های ته نشینی می باشد. با توجه به مصرف بالای آب در زمینه شرب و کمبود آب در جهان نیاز به ایجاد تصفیه خانه برای تصفیه آب می باشد که یکی از قسمتهای مهم تصفیه خانه ها، حوضچه ته نشینی می باشد. علاوه بر تصفیه آب، کاربرد مهم دیگر حوضچه های ته نشینی، جداسازی ذرات معلق و رسوبات رودخانه می باشد. ذرات معلق در طی مسیر برای سازه های انتقال آب ایجاد مشکل می نمایند، بطوریکه کارآیی سیستم را به شدت کاهش می دهند. بنابراین نیاز به بررسی عملکرد این سازه ها و ارائه راهکار مناسب برای جلوگیری از این مشکل می باشد. برای بررسی این موضوع در وهله اول نیاز به دانستن مشکلات موجود در حوضچه ته نشینی می باشد. از جمله این مشکلات، جریانهای گردابه ای هستندکه به وسیله اینرسی سیال وارد شونده شروع به کار می کنند، جریانهای قائم که در اصل جریانهای ایجاد شده در اثر تغییرات حرارتی می باشند، جریانهای چگال که به وسیله هوای گرم و سرد یا آبهای سبک و سنگین به وجود می آیند و جریانهای سطحی می باشند که بر اثر وزش باد ایجاد می شوند. با توجه به بزرگی و باز بودن سطح حوضچه های ته نشینی، کل سطح حوضچه در تماس با باد می باشد و با وزش باد سطح آب دچار تغییرات سرعت شده و باعث تولید چرخش در درون حوضچه می شود. وجود چرخش در حوضچه راندمان ته نشینی را کاهش می دهد. با توجه به اهمیت این موضوع، در این پژوهش به بررسی اثر باد بر راندمان حوضچه ته نشینی پرداخته شده است. برای شبیه سازی اثر باد بر حوضچه، از نرم افزار ssiim2 استفاده شده است. در ابتدا شبیه سازی سه بعدی هیدرولیکی جریان در سه حوضچه مختلف (ویندسور، سارنیا و کالسروحه) تحت تاثیر پارامترهای هندسی بررسی شده و نتایج مدل عددی با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه شد. سپس اثر باد بر هیدرولیک جریان در حوضچه دلف مورد بررسی قرار گرفت و نتایج آن با نتیجه مدل آزمایشگاهی مقایسه گردید. در گام بعد برای نشان دادن اهمیت باد با جهات مختلف، اثر باد با سه سرعت مختلف و جهت 45 درجه با جریان آب بر روی هیدرولیک جریان مورد بررسی قرار گرفت. در مرحله بعد بررسی رسوبی جریان در حوضچه کالسروحه بدون اثر باد با سرعتهای مختلف ورودی جریان انجام شد. در این بررسی رسوبات به صورت ذرات در 10 کلاس طبقه بندی شده در نظر گرفته شد و بعد از شبیه سازی، نتیجه مدل عددی با نتیجه مدل آزمایشگاهی مقایسه گردید. سپس اثر بادهای مختلف از سرعت 3 تا 15 متر بر ثانیه در جهت موافق و مخالف جریان بررسی شد و نتایج عددی به صورت نمودار برای راندمان تله اندازی، راندمان ته نشینی و راندمان ذرات معلق در حوضچه آورده شد. کاهش راندمان تله اندازی رسوب در حوضچه بر اثر وزش باد کاملا مشهود بود. تاثیر بادهای موافق و مخالف جریان در حوضچه بر راندمان ته نشینی و ذرات معلق با هم متفاوت بود که در نتایج آمده است.

نیروی ثقل یکی از روشهای مرسوم در تصفیه آب و فاضلاب بوده که به کمک آن ذرات معلق و مواد زاید به وسیله ته نشینی آز آب جدا می-شود. کاربرد حوضچه های ته نشینی در تصفیه خانه ها می باشد و در کانال-های آبیاری جهت جلوگیری از رسوب در طول مسیر از این حوضچه ها استفاده می شود. لذا انجام تحقیقات در مورد شناخت عملکرد حوضچه ها، مدلسازی جریان آنها و سپس بهینه سازی عملکرد آنها لازم و مقرون به صرفه می باشد. در حوضچه های ته نشینی و رسوب گذار به دلیل وجود گرادیان های سرعت متفاوت، نواحی مختلفی از جریان از جمله جریانات چرخشی به وجود می آید. این پدیده باعث ایجاد اتصال کوتاه، افزایش نواحی مرده و تغییرات در میزان اختلاط می گردد که ممانعت از ایجاد بستری آرام جهت رسوب گذاری نموده و بازده حوضچه را نیز کاهش می-دهند. لذا همواره سعی می شود فضاهای مرده کاهش داده شده و با روش تحلیلی مناسب بوسیله تغییرات در هندسه بازده آن را بالا برد. اولین گام برای بهینه سازی حوضچه های رسوب گذار محاسبه درست میدان سرعت وحجم نواحی چرخشی می باشد. در این پژوهش با بکارگیری نرم افزار ssiim ، مدل سازی حوضچه ویندسور،حوضچه کالسروحه، حوضچه کالسروحه بافل دار،بصورت دوبعدی و سه بعدی با مدل آشفتگی ? k- استاندارد مدل سازی شده و نتایج آن با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است که انطباق نسبتا خوبی بین آنها برقرار می باشد. سپس در بخش آخر، با توجه به نتایج خوب بدست آمده از بخش های قبلی، به منظور بررسی الگوی جریان و نحوه رسوبگذاری در حوضچه ترسیب ، به بررسی وضعیت رسوب گذاری و ته نشینی رسوبات صرفاً بصورت عددی پرداخته شد و مدل آزمایشگاهی کانتوش (2008) مورد بررسی عددی قرار گرفته است. با استفاده از نتایج گرافیکی ناحیه چرخشی به وجود آمده در این سه مدل مورد بررسی قرار گرفته شده می توان نتیجه گرفت که طول نواحی چرخشی در حالت بافل یک طرفه نسبت به حالت بدون بافل کاهش یافته و در حالت بافل دوطرفه نسبت به دو حالت دیگر بسیار کاهش یافته که منجر به افزایش کارایی حوضچه می گردد.همچنین نحوه رسوبگذاری و تغییرات بستر در مدل آزمایشگاهی کانتوش مورد تحلیل قرار گرفت و تاثیر هندسه در حوضچه کانتوش مورد بررسی قرار گرفت با افزایش ضریب شکل میزان حجم رسوبات ته نشین شده در این حوضچه افزایش می یابد. همچنین مدل آزمایشگاهی شاملو (1992) مورد مطالعه قرار گرفته شد وپس از مدلسازی نتایج بدست آمده با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شد. در این مدلسازی نتایج در ابتدا، وسط و انتهای حوضچه با سرعتهای مختلف مورد مطالعه قرار گرفت.

مدلهای آشفتگی متعددی برای شبیه سازی جریانهای آشفته وجود دارد که قادر به تخمین الگوی جریان با دقتهای مختلف می باشند. از میان این مدلها، روش les که قادر به حل جریانهایی با رینولدز بالا و نتایج دقیقتری می باشد، انتخاب شده است. در این روش گردابه های بزرگ جریان که انتقال انرژی را به عهده دارند به طور مستقیم حل می شوند و اثر گردابه های کوچک که نقش مستهلک کننده انرژی را دارند توسط مدل های مقیاس زیرشبکه، بر گردابه های بزرگ اعمال می شود. با افزایش عدد رینولدز ضخامت لایه مرزی نازکتر و تأثیر رفتار کنارجداره بر کل جریان بیشتر می شود که حل دقیق جریان با ریز کردن شبکه مقدور می باشد و در نتیجه هزینه محاسباتی زیادی دارد. یک راه حل کاهش این هزینه و کم نمودن زمان محاسباتی لازم، استفاده از مدلهای جداره ای است که قادر به توصیف مناسب جریان در مجاورت دیواره می باشند. در این پایان نامه، چهار نوع مدل جداره توسعه یافته werner-wengle توسط نویسنده گسسته سازی و در کد اصلی lesجاگذاری شده است که قبلاً با استفاده از مدل werner-wengle توسط یکی از نویسندگان توسعه یافته بوده است. اختلاف مدلهای جداره توسعه یافته werner-wengle ذکرشده، در نحوه محاسبه ضخامت نسبی زیر لایه لزج و به حساب آوردن اختلاف فشار می باشد و به منظور ارزیابی کارایی مدلهای فوق، سه نوع مدل آزمایشگاهی کانال ساده، کانال باز با یک مانع در کف و پله در کف شبیه سازی شده اند. اولین مدل آزمایشگاهی کانال ساده شیبدار rodi در سال 1986 می باشد که نتایج آن با نتایج مدل جداره werner-wengle تدوین شده توسط شاملو و همکاران در سال 2011 و نتایج مدلهای توسعه یافته مقایسه شده اند. دومین مدل آزمایشگاهی متعلق به blom در سال1993 می باشد (کانال باز با یک مانع در کف) که بررسی جریان در اطراف مانع صورت پذیرفته است. در انتها نتایج آزمایشگاهی جریان چرخشی در کانالی با یک پله در کف (nezu، 1987) با مدلهای فوق مقایسه گردیدند. در این بخش الگوی جریان در دو حالت استفاده و عدم استفاده از مدلهای جداره مورد ارزیابی قرار گرفته است. با توجه به نتایج به دست آمده، مدلهای جداره توسعه یافته werner-wengle برای محاسبه کمیتهای متوسط گیری شده بصورت تقریباً مشابه و از دقت خوبی نسبت به مدل werner-wengleبرخوردار هستند. مدلهای بکاررفته در محاسبه نقطه بازگشتی کارآمد می باشند و در این بخش تفاوت استفاده و عدم استفاده از مدلهای جداره را می توان مشاهده کرد.

رودخانه ها از جمله منابع طبیعی هستند که زیستگاه اصلی آبزیان و به خصوص ماهیان محسوب می شوند و در تولید مثل ماهیان به عنوان مسیر مهاجرت آن ها به سمت محل تخم ریزی نقش حیاتی ایفا می کنند. متأسفانه حمل و نقل آبی، آلودگی ها و از همه مهم تر ساخت سد و پل در مسیر رودخانه ها باعث شده این مناطق دست خوش تغییر و تحول زیادی شوند. راه ماهی ها سازه های مستهلک کننده انرژی هستند که به ماهی های مهاجر امکان غلبه بر موانع موجود در سر راه مهاجرت آن ها را می دهند و آن ها را به سوی محل تخم ریزی هدایت می کنند، این سازه ها انواع مختلفی دارند که از جمله قدیمی ترین آن ها راه ماهی نوع حوضچه و سرریز می باشد که از یک کانال با سرریزهای پیاپی تشکیل شده است که شیب مشخصی دارند و می توانند همراه با روزنه هایی باشند، ماهی برای عبور از یک حوضچه به حوضچه دیگر یا از روی سرریزها می پرد و یا از داخل روزنه عبور می کند. در این تحقیق ابتدا با شبیه سازی عددی یک مدل آزمایشگاهی مشخص با مدل های آشفتگی و شبکه بندی های مختلف توسط نرم افزار fluent، مدل آشفتگی و شبکه بندی بهینه انتخاب گردید و سپس الگوی جریان و سرعت با یک مدل آزمایشگاهی دیگر صحت سنجی شد و نتایج از انطباق قابل قبولی برخوردار بودند. سپس برای یک گونه ماهی مشخص از ماهیان رودخانه های حوزه جنوبی دریای خزر، هندسه راه ماهی تغییر داده شد و دو هندسه جدید مدل سازی شدند و پس از بررسی نتایج هندسه بهینه انتخاب گردید. در نهایت برای بررسی مقایسه عملکرد چیدمان روزنه و سرریز به صورت مستقیم و زیگزاگی چیدمان زیگزاگی نیز مدل سازی گردید و حالت بهینه انتخاب شد.

کاهش هزینه طرح ، داشتن کنترل بر روی آب پایین دست و کاهش بیشینه سیلاب خروجی از فواید بهره گرفتن از سرریز های دریچه دار می باشد. علی رغم اهمیت موضوع کمبود مطالعاتی در زمینه بررسی وضعیت فشار موجود بر روی پروفیل بتنی سرریز بعد از دریچه نیمه باز مشاهده گردید. از این رو در تحقیق حاضر، سعی شده با استفاده از مدل عددی، به بررسی بیشتر این موضوع پرداخته شود. جهت نیل به این هدف، در ابتدا نرم افزارهای عددی موجود با قابلیت های مدلسازی متفاوت، مورد بررسی قرار گرفتند که در این میان نرم افزار flow -3d جهت مدلسازی انتخاب گردیده است. در مرحله بعد، صحت کاربری نرم افزار توسط دو مدل آزمایشگاهی سرریز دریچه دار تحت فشار و سرریز آزاد سنجیده شده است. پس از صحت سنجی، با قرار دادن دریچه قطاعی در حالت های مختلف بازشدگی و در تراز های مختلف آب مخزن بر روی سرریز سد گتوند علیا توزیع فشار بر روی منحنی اوجی سرریز بررسی شده است. مشاهده شد که در صورت بازشدگی یکسان دریچه، هر چه تراز آب موجود در مخزن بیشتر باشد مقدار فشار در نزدیکی تاج افزایش یافته و در ادامه مسیر به سمت پایین دست کاهش می یابد. همچنین دیده شد که در حالتی که تراز آب در مخزن ثابت باشد، با بازشدگی بیشتر دریچه از فشار بر روی قسمت های ابتدایی اوجی کاسته شده و در حرکت به سمت پایین دست بر فشار روی سرریز افزوده می شود. در گام بعدی، وضعیتی که در آن کمترین فشار پس از بازشدگی دریچه رخ داده است، انتخاب گردید و تغییراتی بر روی پروفیل سریز اعمال شد. این تغییرات شامل تعویض معادله و نوع پروفیل بتنی موجود در بخش های بالادست و پائین دست تاج با پروفیل های استاندارد می باشد. پس از اعمال این تغییرات و بررسی توزیع فشار روی سرریز این نتیجه حاصل شد که در حالتی که پروفیل بتنی بالادست تاج سرریز دریچه دار تعویض شود، تأثیری بر روی فشار قسمت اوجی نخواهد داشت. در ادامه با تغییر منحنی قسمت اوجی هر چه شیب منحنی بیشتر باشد، فشار در قسمت های ابتدایی اوجی کمتر و در انتهای اوجی بیشتر خواهد بود.

حضور المانهای زبر در غالب کاربردهای مهندسی و اهمیت آشنایی الگوی جریان پیرامون این المانها، انگیزه اصلی بررسی ساختارهای جریان در مجاورت بستر زبر می باشد. بررسی جریان امروزه به کمک تکنیکهای قدرتمند در دینامیک سیالات محاسباتی و با بهره گیری از روشهای عددی با دقت بالا در مقایسه با روشهای آزمایشگاهی پرهزینه، مورد توجه قرار گرفته ا ست. هدف از این رساله، مطالعه ماهیت جریان روی بسترهای زبر در کانالهای روباز می باشد. بدین منظور یک کد عددی سه بعدی حجم محدود با شبکه لاگرانژی - اولری مجزا و مختصات منطبق بر جسم توسعه داده شده است. این کد با بکارگیری تکنیک گردابه بزرگ جریان به همراه توابع جداره قادر به ارائه ساختارهای ریز جریان در حضور زبریها می باشد. استفاده از روش گسسته سازی با مرتبه دقت بالا و همچنین قابلیت تعبیه شبکه بندی متغیر در عمق در این کد، امکان مدلسازی شرایط جریان پیچیده را با تعداد گره های محاسباتی کمتر و در عین حال دقت بیشتر فراهم نموده است. به کمک این کد، سه نوع زبری کروی، مثلثی و مربعی در شرایط چیدمان مختلف (که سه رژیم جریان نوع d، نوع k و بینابین را ایجاد می کند) و نسبتهای استغراق جریان متفاوت، شبیه سازی شده است. در کلیه حالتها، نتایج مربوط به مولفه های میانگین و نوسانی شامل توزیع سرعت میانگین در عمق، پروفیل لگاریتمی سرعت، شدت آشفتگی، تنش برشی رینولدز، انرژی جنبشی آشفتگی و تولید آشفتگی روی تاج و در حدفاصل بین المانها ارائه شده است. نتایج نشانگر شکلگیری لایه برشی در نزدیکی تاج المان بوده که حضور نقطه عطف در پروفیل سرعت، حداکثر شدت آشفتگی، انرژی جنبشی آشفتگی و تولید در این محل اتفاق می افتد. بیشینه اثرات زبری و مقاومت جریان نیز برای رژیم جریان بینابین اتفاق می افتد. همچنین نتایج بیانگر این مطلب بود که با کاهش تراکم المانهای زبر، هر دو اثر چیدمان و نسبت استغراق مهم می باشند. در مجموع، انطباق قابل قبول نتایج عددی استخراج شده با داده های آزمایشگاهی مرجع مورد مطالعه، قابلیت کد توسعه داده شده و روشهای عددی بکاررفته در آنرا نشان می دهد.

بدلیل حضور سطوح زبر در بسیاری از کاربردهای مهندسی، درک خصوصیات جریان آشفته در مجاورت المانهای زبر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. بعبارتی بدلیل وقوع بیشتر جریانهای از نظر هیدرولیکی زبر نسبت به جریانهای صاف، در سالیان اخیر، مطالعات عددی و آزمایشگاهی متعددی به منظور شناخت جریان روی سطوح زبر صورت گرفته است . هدف از این رساله، مطالعه ماهیت جریان روی بسترهای زبر در کانالهای روباز می باشد. بدین منظور یک کد عددی دو بعدی با بکارگیری تکنیک گردابه بزرگ جریان و با استفاده از نرم افزار fortran استفاده شده است . به کمک این کد، دو نوع زبری نیم دایره ای و مثلثی در شرایط چیدمان مختلف (که سه رژیم جریان نوع d، نوع k و بینابین را ایجاد می کند) شبیه سازی شده است. در کلیه حالات نتایج مربوط به سرعت های افقی و عمودی بر روی تاج و در فواصل بین تاج ها به همراه خطوط جریان ایجاد شده بر روی زبری های مورد نظر آورده شده است . نتایج نشان دهنده تاثیر نوع زبری و نسبت ابعاد زبری بر روی جریان در کانال های باز می باشد . همچنین نتایج بدست آمده بیانگر میزان آشفتگی و خطاهای حاصله در نزدیکی بستر می باشد . در مجموع، انطباق قابل قبول نتایج عددی استخراجشده با دادههای آزمایشگاهی مرجع مورد مطالعه، قابلیت کد توسعه داده شده و روشهای عددی بکاررفته در آن را نشان می دهد.

نحوه بازشدگی دریچه ها و برخورد جریان فوق بحرانی با پایه ها در سرریزهای شوت باعث شکل گیری جریانی زیگزاگی شکل یا بالی شکل روی سرریز شده که در عرض و طول سرریز گسترش یافته است. اندرکنش جریان با پایه ها و همچنین برخورد جریان با دیواره های کناری سرریز باعث به وجود آمدن حداکثر سه موج روی سرریز بعد از پایه ها، در وسط سرریز و بر روی دیواره های تندآب شده است. این امواج بر میدان جریان روی سرریز تأثیر قابل توجه داشته، چنانچه عمق امواج در بعضی از نواحی 3 تا 4 برابر عـمق مـتوسط آب روی سرریز شده است. در تحقیق حاضر بررسی هیـدرولیک جریان و عملکرد بازشدگی ترکیبی دریـچه های مخـتلف سرریز شوت به صورت متقارن و غیرمتقارن و با درصد بازشدگی مختلف بر نحوه شکل گیری امواج بالی شکل روی سرریز ارائه شده است. مشخصه های جریان اعم از مقاطع عرضی و طولی، فشار پیزومتریک، ضریب نوسانات فشار دینامیکی برای امواج فوق در حالات بازشدگی ترکیبی مختلف دریچه های سرریز و با درصد بازشدگی متفاوت بررسی شده است. همچنین با استفاده از نرم افزار solidworks و flow3d مدل عددی سرریز فوق ساخته شده و سه پارامتر عمق، فشار پیزومتریک و سرعت در امواج فوق در مدل عددی با شبکه بندی ها و مدل های آشفتگی مختلف با مقادیر آزمایشگاهی مقایسه شده و بهترین مدل عددی بدست آمده است. بررسی های آزمایشگاهی بر روی مدل فیزیکی سرریز سد خیرآباد خوزستان که در موسسه تحقیقات آب وزارت نیرو ساخته شده است، انجام گرفته است.

سرریز ها از مهم ترین و حساس ترین بخش در سازه سدها می باشند که وظیفه تخلیه دریاچه سد درمواقع اضطراری و سیلابی را بر عهده دارند. با وجود اینکه مطالعات زیادی برای شناخت مشخصات جریان بر روی سرریزها انجام شده است، اما اطلاعات اندکی در مورد جریان فوق بحرانی پایین دست پایه های مستقر روی سرریز شوت و اثر پایه دریچه بر آن موجود است. دراثر برخورد جریان و پایه های دریچه های مستقر در سرریز، جریان فوق بحرانی موجی، شکل می گیرد که به آن جریان بالی شکل یا دم خروسی می گویند. حاصل این جریان فوق بحرانی برروی سرریز مورد بررسی، سه موج عرضی است که اولی پایین دست پایه، دومی وسط سرریز و سومی روی دیوار سرریز شکل می گیرد .این پدیده، میدان جریان پایین دست را تحت تاثیر قرار داده و شرایط نامتعادل هیدرولیکی روی سرریز را باعث می شود. بررسی های انجام شده نشان می دهد که ارتفاع امواج روی دیواره شوت می تواند به بیش از 2 برابر عمق متوسط آب رسیده و از دیواره سرریز خارج شود. بنابراین ارتفاع امواج روی دیواره، طرح دیوارهای کناری شوت را تحت تاثیر قرار داده و از این لحاظ پروفیل امواج بالی شکل روی دیواره نیز اهمیت می یابد. در تحقیق حاضر به صورت آزمایشگاهی و عددی به بررسی تاثیر پایه دریچه بر میدان جریان بالی شکل پرداخته شد. بررسی-های آزمایشگاهی بر روی مدل فیزیکی سرریز سد خیرآباد خوزستان که در موسسه تحقیقات آب وزارت نیرو ساخته شده است، انجام گرفته است و ملاحظه شد عدد فرود جریان و بازشدگی دریچه ها تاثیر قابل ملاحظه ای بر این امواج دارند. در بررسی آزمایشگاهی هیـدرولیک جریان و عملکرد بازشدگی دریـچه های مخـتلف سرریز شوت به صورت متقارن و با درصد بازشدگی مختلف بر نحوه شکل گیری امواج بالی شکل روی سرریز ارائه شده است. مشخصه های جریان اعم از مقاطع عرضی و طولی، فشار پیزومتریک، ضریب نوسانات فشار دینامیکی برای امواج فوق در حالات بازشدگی مختلف دریچه های سرریز و با درصد بازشدگی متفاوت بررسی شده است. سپس مدل هیدرولیکی سرریز خیرآباد در نرم افزار flow-3d شبیه سازی شد و پس از صحت سنجی با ازای هندسه های مختلف پایه، شرایط میدان جریان شبیه سازی شد و مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت. در نهایت هندسه ای بهینه برای پایه سرریز ارائه شد. همچنین بررسی عملکرد مختلف دریچه ها به صورت شبیه سازی عددی نیز مورد بررسی قرار گرفت و خیزاب هریک از امواج سه-گانه ی معرفی شده در دو عدد فرود بررسی شد و نشان داده شد که خیزاب امواج تابعی از عملکرد دریچه ها و عدد فرود ورودی به سرریز می باشد. در ادامه ی بررسیِ عددی، انرژی مستهلک شده بوسیله ی امواج بالی شکل مورد بررسی قرار گرفت و نشان داده شد که تعداد پایه و عدد فرود جریان ورودی به سرریز تأثیر مستقیم بر افزایش درصد استهلاک انرژی جریان دارند. همچنین نشان داده شد سهم موج 1 در درصد استهلاک انرژی بیشتر از دو موج دیگر می باشد.

موضوع اصلی این پایان‏نامه، شناخت جریان گذرا در لوله‏ها و بررسی اثر جدایی ستون مایع در آن می‏باشد. جریان های گذرا در هیدرولیک بر درستی و سلامت ساختار خطوط لوله اثر گذاشته و به این دلیل است که برای مهندسین طراح از اهمیت ویژه ای برخوردار است ولی از طرف دیگر با توجه به اینکه این امواج قادرند به سرعت در یک سیستم حرکت کنند و شکل آن ها با انتشار و انعکاس آن ها تغییر می‏کند، می توان از آن ها به عنوان یک منبع اطلاعاتی مناسب در کاربردهای مدیریتی استفاده نمود. در سال های اخیر از برخی تکنیک‎های توسعه یافته برای نشت یابی در سیستم های آب رسانی که در آن ها اطلاعات از استهلاک و انعکاس جریان گذرا به دست می آید، استفاده شده است. برای مدل‏سازی نوسانات فشار و سرعت در جریان گذرا نیاز به حل معادلات پیوستگی و اندازه حرکت می‎باشد. مدل‏های ارائه شده به دو دسته مدل‏های یک‏بعدی و دوبعدی (شبه‏دوبعدی) تقسیم می‏شوند. مدل‎های یک‏بعدی ارائه شده نوسانات فشار و دبی متوسط را در مسائل ضربه قوچ به خوبی مدل می‏کنند ولی برای مدل‏سازی آشفتگی و هم‏چنین در مسائل کنترل کیفیت آب به جزئیات پروفیل سرعت در جریان‏های گذرا نیاز است از این‏رو مدل‏های دوبعدی توسعه پیدا کردند. در بحث جریان گذرا، هدف ایجاد مدلی جامع برای شبکه لوله ها است که از نظر محاسباتی سریع و دقیق باشد. مدل‏های یک‏بعدی سرعت بیش‏تری نسبت به مدل‏های دوبعدی و شبه‏دوبعدی دارند ولی در عین حال از دقت کم‏تری نسبت به این مدل‏ها برخوردارند. تقریب ها و ساده‏سازی‏های استفاده شده در مدل‏های یک بعدی بسیار زیاد است. به عنوان مثال سرعت محوری در طول خط لوله در قسمت‏های مختلف مقطع لوله، یکسان و برابر با سرعت میانگین جریان در نظر گرفته می شود در حالی که به دلیل شرط عدم لغزش، در دیواره ها سرعت صفر می‏باشد که نشان می دهد سرعت در مقطع یکسان نیست. یکی از مسائل پیش رو در حل معادلات یک‏بعدی تخمین ضریب افت اصطکاکی می‏باشد. این ضریب به صورت ماندگار، شبه‏ماندگار و ناماندگار تخمین زده می‏شود که دقت روش ناماندگار نسبت به دو روش دیگر بیش‏تر است. در روش ناماندگار نیز محققان روش‏های متفاوتی را ارائه داده‏اند که دقت روش‏های ارائه شده با یکدیگر متفاوت است. در این مطالعه از دو روش ناماندگار brunone و zielke و شبه‏ماندگار استفاده شده است. در معادلات دوبعدی نیز برای بهبود نتایج نیاز به یک مدل آشفتگی می‏باشد که از مدل آشفتگی پنج لایه استفاده شده است. مدل‏های دوبعدی به ویژه در جریان‏های آشفته اهمیت بیش‏تری پیدا می‏کنند. جدایی ستون مایع یکی از عواملی است که باعث خطا در نتایج می‏شود. به صورت معمول از اثرات جدایی ستون مایع صرف نظر می‏شود و خطای به وجود آمده را در نظر نمی‏گیرند. در این مطالعه ضربه قوچ با در نظر گرفتن جدایی ستون مایع مدل شده است. از مقایسه نتایج مدل‏های یک‏بعدی و شبه‏دوبعدی با نتایج آزمایشگاهی می‏توان دریافت که مدل‏ شبه‏دوبعدی شکل موج را به خوبی حفظ کرده و هد حداکثر را با دقت خوبی تخمین زده است. در این مطالعه جدایی ستون مایع به معادلات یک‏بعدی و دوبعدی اضافه شده و از مقایسه نتایج می‎توان گفت که مدل شبه‏دوبعدی جدایی ستون باعث بهبود نتایج شده است و نوسانات مشاهده شده در نتایج آزمایشگاهی را بهتر نشان می‏دهد و دقت لازم برای تخمین هد حداکثر را دارد. در نظر گرفتن جدایی ستون مایع در معادلات دوبعدی ابتکاری بوده و لازم است تا در آینده بیش‏تر مورد بررسی و ارزیابی قرار بگیرد.

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.

در فصل اول پس از بیان اهمیت موضوع و اهداف انجام این تحقیق به معرفی مشخصات ویژه این تحقیق همانند محدودیتها ویژه آن و قلمرو تحقیق بپردازیم و پس از آن به معرفی پیشینه اقدامات و مطالعات صورت پذیرفته در این خصوص بپردازیم و در آخر با ساختار تحقیق آشنا میگردیم. در فصل دوم به مطالعات کتابخانه این با استفاده از بانکهای اطلاعاتی داخلی و خارجی در خصوص فناوری های نمکزدایی پرداخته شد. فصل سوم امکان سنجی کاربرد فناوری اسمز معکوس در کشور مورد بررسی قرار گرفت.

احداث سدها بر روی رودخانه در سالهای اخیر در کشور ما سیر صعودی داشته است و به دلیل افزایش تقاضای استفاده از آب و نیرو با توسعه جامعه این روند ادامه خواهد داشت. برای توسعه پایدار و استفاده بهینه از منابع طبیعی ضرورت دارد آثار زیانبار توسعه و مهار منابع انرژی طبیعی را تا حد امکان تقلیل نمود. تأثیر احداث سدها بر محیط زیست رودخانه ها و حیات آبزیان قابل تامل بوده و در منابع مختلفی ذکر شده است. ماهیان به عنوان یکی از با ارزشترین آبزیان در رودخانه ها بیشترین صدمات را متحمل شده و در بعضی موارد نسل آنها در رودخانه از بین رفته است که دلیل عمده آن قطع مسیر مهاجرت ماهیان به محلهای تخمریزی می باشد. راه ماهی ها سازه های هیدرولیکی هستند که جهت عبور ماهیان در سدها تعبیه می شوند. از دیگر مشکلات به وجود آمده برای ماهیان از بین رفتن محلهای مناسب تخمریزی و کاهش دبی رودخانه ها در اثر احداث موانع رودخانه ای می باشد. شناخت مشکلات موجود در رودخانه ها برای ماهیان ماهجر، ارزیابی راه ماهی های موجود بر روی سدها، شناسایی نارسایی های آنها و توصیه بهبود آنها برای موانع و رودخانه های مورد نظر از اهداف این ارزیابی می باشد. همچنین راه ماهی های مناسب برای سدهای فاقد راه ماهی و سدهای جدید در اینجا پیشنهاد می شود. یک برنامه کامپیوتری جهت تعیین راه ماهی مناسب در یک منابع، طراحی راه ماهی و ارزیابی یک راه ماهی موجود ارائه شده است مطالعات نشان داد که راه ماهی های طراحی شده فاقد عملکرد مناسبی بوده و برای ماهیان بومی سازگار نیستند.

چکیده ندارد.