در این تحقیق هیدرودینامیک سه بعدی حول تک آبشکن با شکل های مختلف دماغه، بصورت آزمایشگاهی و در یک کانال با بستر صلب و تخت مورد مطالعه قرار گرفته است. تحقیق انجام شده در دو بخش می باشد: در بخش اول با استفاده از سرعت سنج نقطه ای سه بعدی adv و ترکیب ابزارهای دو لوله ای و سه لوله ای، به ترتیب میدان جریان آشفته و تنش برشی بستر حول آبشکن های مستقیم، tشکل وl شکل برداشت شده و مشخصات متوسط و آشفته میدان مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایش های انجام شده در این بخش، در حالت جریان عمیق بوده و در آزمایشگاه مطالعات آشفتگی کانال باز دانشگاه تربیت مدرس انجام شده است. در بخش دوم تحقیق که طی فرصت مطالعاتی در آزمایشگاه سیالات انستیتیوی هیدرومکانیک دانشگاه کارلسروهه آلمان انجام شده است، به اندازه گیری یکپارچه میدان و مطالعه ساختارهای مکانی و زمانی جریانهای آشفته حول تک آبشکن مستقیم در حالت جریان کم عمق با استفاده از روش سرعت سنجی تصویری سطحی پرداخته شده است. در این بخش از تحقیق، هدف اصلی مطالعه ساختار coherent flow سطحی بوده و نقش آنها در روند تغییرات لایه برشی و پدیده های مربوط به آن بررسی شده است. نتایج حاصل از بخش اول نشان می دهد که ساختار جریانهای متوسط و آشفته حول آبشکن های مستقیم و غیر مستقیم کاملاً متفاوت می باشد. بطوریکه در ناحیه بالادست آبشکن مستقیم، شکل گیری و توسعه گردابه های نعل اسبی به سمت دماغه و پائین دست آبشکن، جریان حول سازه و همچنین توزیع تنش برشی بستر را کاملاً تحت تاثیر قرار می دهد. در حالیکه افزودن باله به آبشکن مستقیم ضمن کنترل شکل گیری گردابه نعل اسبی و حتی حذف نسبی آن، ضمن حفاظت سازه آبشکن در مقابل جریان پر سرعت، توزیع تنش برشی بستر را نیز کاملاً تحت تاثیر قرار می دهد. توزیع تنش برشی بستر حول آبشکن مستقیم، نشانگر تشدید تنش حول دماغه آبشکن و توسعه ناحیه پر تنش به سمت پائین دست، منطبق بر مسیر وقوع گردابه نعل اسبی و مماس بر بخش بیرونی لایه برشی می باشد، در حالیکه در آبشکن tشکل، ضمن دور شدن ناحیه پر تنش از دماغه بالادست، از تمرکز تنش کاسته شده و علاوه بر آن، توزیع تنش در ناحیه پائین دست آبشکن نیز به مراتب یکنواخت تر از آبشکن مستقیم می باشد. در قسمت هایی از میدان که انرژی جنبشی آشفتگی حداکثر مقدار را داراست، انرژی جنبشی جریان متوسط حداقل بوده و برعکس. روش برونیابی خطی تنش های رینولدز برای تعیین تنش برشی بستر حول آبشکن بحث شده و نشان داده شده است که استفاده از این روش در بخش های مهمی از میدان از جمله محدوده لایه برشی بواسطه غیر خطی بودن توزیع قائم تنش های رینولدز نادرست بوده و منجر به پیش بینی نا صحیح تنش برشی بستر می شود. بررسی ساختار جریان در بخش دوم تحقیق نشان از شکل گیری دو ناحیه چرخشی مجزا در پشت آبشکن دارد بطوریکه علاوه بر گردابه اصلی، یک ناحیه چرخشی ثانویه نیز تشکیل می شود. اندرکنش جریانهای چرخشی مزبور باعث ایجاد پدیده پرش در ابعاد گردابه ای بزرگ مقیاس سطحی و همچنین افزایش ناگهانی عرض لایه برشی می شود.

در این تحقیق مدلی عددی برای حل معادلات دوبعدی نویر-استوکس غیردائمی، با قابلیت محاسبه فشارهای دینامیک در جریان های همراه با سطح آزاد، توسعه داده شده است. در این مدل از ایده تفکیک زمانی (روش پروجکشن) استفاده شده است؛ بطوریکه در نیم گام اول، معادلات ممنتوم با فرض توزیع هیدرواستاتیک فشار حل شده و مقادیر سرعت واسط به دست می آید. برای نیم گام دوم، از ترکیب معادله پیوستگی با معادلات ممنتوم (بدون حضور ترم های انتشار و جابجایی)، رابطه ای برای محاسبه فشار دینامیک بدست آمده و با استفاده از آن فشارهای دینامیک محاسبه شده اند. در پی آن سرعت های واسط نیم گام اول بر اساس فشارهای بدست آمده، اصلاح می گردد و تراز جدید سطح جریان آب با استفاده از رابطه پیوستگی برای المان ستون آب، به دست می آید. برای شبیه سازی میدان های همراه با تغییر در تراز سطح آب و تراز بستر، از سیستم مختصات منحنی الخط غیرمتعامد با قابلیت جابجایی شبکه در جهت قائم استفاده شده است.معادلات حاکم به روش حجم کنترل روی شبکه جابجانشده با استفاده از روش کاملاً ضمنی حل شده است و برای جلوگیری از ایجاد میدان فشار صفحه شطرنجی، یک روش توسعه یافته میانیابی مومنتوم برای محاسبه شار روی وجوه حجم کنترل بکارگرفته شده است. به منظور ارزیابی عملکرد مدل عددی تهیه شده، تست های متعددی مورد بررسی قرار گرفته است. شبیه سازی جریان متغیر تدریجی، توانایی مدل حاضر در برخورد با مرزهای متحرک و دارای انحناء را نشان می دهد. مقایسه نتایج شبیه سازی جریان های عبوری در حفره آب شستگی موضعی، ترانشه و جریان عبوری از روی برآمدگی کف با داده های آزمایشگاهی و نتایج مدل های عددی دیگر، توانایی مدل در شبیه سازی جریان های با سطح آزاد را تائید می نماید.

در این تحقیق، با استفاده از مدل عددی سه بعدی فلوئنت ابتدا الگوی جریان آشفته در کانال مستقیم با شیب تند مدل سازی شد و انطباق پروفیل های سرعت حاصل از آن با فرمول های تحلیلی بررسی شد. در ادامه الگوی سه بعدی جریان فوق بحرانی در قوس 180 درجه و 51 درجه به صورت جریان دو فازی (آب و هوا) مدل سازی گردید و نتایج حاصل از موج اول (مهمترین موج) در جداره های داخلی و خارجی با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه شد. با توجه به وجود جریان فوق بحرانی در قوس و تأثیر ناچیز تنش برشی و اهمیت بالای اینرسی، تفاوت چندانی بین مدل های آشفتگی وجود نداشته و لذا جهت مدل سازی آشفتگی از مدل k-? استاندارد استفاده شد. در ادامه، تأثیر برخی ازپارامتر های حاکم بر جریان بر الگوی جریان در خم بررسی گردید. نتایج بررسی نشان داد با افزایش عدد فرود نسبت بی بعد تراز سطح آب افزایش می یابد که با افزایش نسبت تراز سطح آب، عمق ماکزیمم و زاویه ماکزیمم در جداره خارجی افزایش یافته و تقریباً به همین میزان عمق آب در جداره داخلی کاهش می یابد به طوری که از عدد فرود 4 به بعد جریان آب کم کم به جداره خارجی متمایل شده و تراز سطح آب بالاتر می رود و با افزایش عدد فرود جداره داخلی شروع به خشک شدن می کند. همچنین در این مدل از عدد فرود 4 به بعد تقریباً هیچ موج دومی تشکیل نمی شود.