در این تحقیق تاثیر صفحات مستغرق بر الگوی جریان در آبگیری از مسیر مستقیم به صورت آزمایشگاهی و عددی مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور الگوی جریان در آبگیری از مسیر مستقیم، در دو حالت وجود و عدم وجود صفحات مستغرق و در سه نسبت دبی آبگیری 11%، 16% و 21% مورد مطالعه قرار گرفت. در مطالعات آزمایشگاهی صورت گرفته، سرعت های سه بعدی جریان در محدوده آبگیر با استفاده از دستگاه adv برداشت شده و به بررسی تاثیر نسبت دبی آبگیری بر الگوی جریان پرداخته شد. شبیه سازی الگوی جریان با استفاده از مدل عددی سه بعدی fluent، ابتدا در آبگیری جانبی از مسیر مستقیم، بدون حضور صفحات مستغرق انجام شده و تاثیر نسبت دبی انحرافی بر این الگو مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه به شبیه سازی الگوی جریان در آبگیری جانبی از مسیر مستقیم با حضور صفحات مستغرق پرداخته و تاثیر صفحات مستغرق و نسبت دبی انحرافی بر الگوی جریان مورد بررسی قرار گرفت. به منظور مدلسازی آشفتگی در هر یک از حالات وجود و عدم وجود صفحات مستغرق، از سه مدل k-? استاندارد، k-? و rsm استفاده شده و با مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی عددی با نتایج آزمایشگاهی، مدل مناسب جهت انجام مطالعات هیدرودینامیکی و پارامتریک انتخاب گردیده است. تغییرات تراز سطح آب در مقابل دهانه آبگیر در برداشت های آزمایشگاهی کمتر از 10% عمق آب بوده، لذا از شبیه سازی سطح آزاد صرفنظر شده است. الگوی جریان داخل کانال اصلی در هر دو حالت وجود و عدم وجود صفحات مستغرق توسط هر سه مدل به خوبی پیش بینی شد ولی در داخل کانال آبگیر در هر دو حالت وجود و عدم وجود صفحات مستغرق، پیش بینی مدل های آشفتگی مختلف، متفاوت بود. با مقایسه نتایج حاصل از هر یک از مدل ها با نتایج آزمایشگاهی، در مجموع مدل rsm نسبت به دو مدل دیگر بهتر عمل کرده و قابلیت مدل k-? نیز بیشتر از مدل k-? استاندارد بوده است. لذا مدل آشفتگی rsm جهت ادامه بررسی ها انتخاب گردید. بررسی خطوط جریان در ترازهای مختلف در حالت عدم وجود صفحات مستغرق نشان دهنده گستردگی بیشتر صفحه جدایی جریان به سمت نواحی میانی کانال در ترازهای تحتانی بوده که این امر می تواند سبب انتقال رسوبات بیشتری از بستر به کانال آبگیر شده و در نهایت در ناحیه جدایی جریان داخل آبگیر ته نشین و باعث کاهش راندمان آبگیری گردد. بررسی الگوی جریان حول صفحات مستغرق، نشان دهنده وجود جریان ثانویه حول صفحات و در خلاف جهت جریان ثانویه تولید شده در اثر آبگیری می باشد. این امر سبب انحراف بیشتر خطوط جریان نزدیک بستر به سمت مرکز کانال اصلی و انحراف جریان سطحی به سمت دهانه آبگیر می شود، لذا وجود صفحات می تواند شرایط آبگیری بیشتر از جریان های سطحی با رسوب کمتر را فراهم نماید. در هر دو حالت وجود و عدم وجود صفحات مستغرق، با افزایش نسبت دبی انحرافی، قدرت جریان ثانویه افزایش می یابد. در نسبت دبی انحرافی ثابت، قدرت جریان ثانویه تولیدی در آبگیری با حضور صفحات، بیشتر از قدرت جریان ثانویه در آبگیری و بدون حضور صفحات می باشد. گرچه میزان رسوب ورودی به کانال آبگیر در اثر جریان ثانویه تولیدی حول صفحات مستغرق کاهش می یابد، اما مقایسه خطوط جریان نشان می دهد که در حالت استفاده از صفحات مستغرق ابعاد ناحیه جدایی داخل آبگیر افزایش یافته که این امر می تواند باعث کاهش راندمان آبگیری شود. مقایسه جریان ثانویه دهانه آبگیر نشان دهنده گستردگی بیشتر آن در نواحی نزدیک بستر در حالت عدم استفاده از صفحات مستغرق بوده که سبب جاروب رسوبات مقابل دهانه آبگیر و انتقال آن ها به کانال آبگیر می شود. با به کارگیری صفحات مستغرق و تغذیه آبگیر از جریانات سطحی گستردگی این جریان در ترازهای پایینی کاهش یافته و کنترل رسوبات ورودی را به همراه خواهد داشت. بررسی تنش برشی بستر و منحنی های هم سرعت، حاکی از وجود ناحیه سکون در ترازهای نزدیک بستر، در کانال اصلی پس از آبگیر می باشد که با به کارگیری صفحات مستغرق محدوده آن گسترش می یابد. مقایسه توزیع تنش برشی بستر در دو حالت به کارگیری و عدم به کارگیری صفحات مستغرق حاکی از کاهش چشمگیر تنش برشی بستر در محدوده آبگیر در حالت استفاده از صفحات مستغرق بوده که این امر در بسترهای آبرفتی سبب کنترل رسوبات ورودی به آبگیر خواهد شد.

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 با استفاده از مدل عددی سه بعدی fluent ابتدا الگوی جریان آشفته در اطراف پایه پل مدلسازی و الگوی جریان متوسط بررسی شده است. سپس با مدلسازی جریان اطراف چهار استوانه با آرایش مربعی، الگوی سه بعدی جریان لحظه ای و اندرکنش استوانه های ردیفی مورد بررسی قرار گرفته است. پس از شناخت الگوی جریان اطراف گروه استوانه، جریان در کانال مرکب مدلسازی شده است. در این مدلسازی از مرز تناوبی در ورودی و خروجی استفاده شده تا به این طریق آشفتگی جریان ورودی طبیعی ایجاد شده در کانال باشد. با شناخت الگوی جریان در کانال مرکب و گروه استوانه، الگوی سه بعدی جریان لحظه ای در کانال مرکب با موانع گیاهی موضعی در امتداد سیلابدشت مدلسازی عددی شده و الگوهای مختلف جریان مورد بررسی قرار گرفته است. در مدلسازی کانال مرکب با موانع گیاهی نیز از شرط مرزی تناوبی در ورودی و خروجی استفاده شده است. برای حل میدان جریان آشفته از مدل شبیه‏سازی گردابه های بزرگ استفاده شده است. نتایج نشان می دهد که مدل les الگوی جریان متوسط عبوری از پایه را به خوبی پیش بینی کرده و مدل زیرشبکه دینامیکی اسماگورینسکی-لیلی نسبت به مدل اسماگورینسکی-لیلی بهتر عمل کرده است. مدلسازی عددی جریان اطراف چهار استوانه با آرایش مربعی بیانگر این است که مدل les بادقت مناسبی، قادر به پیش بینی جریان لحظه ای و جاری شدن هم‏فاز و غیر هم‏فاز گردابه ها می باشد. مدلسازی عددی جریان در کانال مرکب نیز نشان دهنده عملکرد مناسب مدل les و تکنیک شرط مرزی تناوبی به کار رفته در ورودی، برای پیش بینی جریان متوسط است. مدل وجود دو گردابه در محل اتصال کانال اصلی و سیلابدشت، که منجر به تحدب خطوط جریان متوسط این ناحیه می شود، را به خوبی پیش بینی کرده است. الگوی جریان سه بعدی در حالت آشفته برای کانال مرکب با یک ردیف مانع گیاهی در امتداد سیلابدشت با استفاده از مدل les مدلسازی عددی شده و تکنیک شرط مرزی تناوبی برای ایجاد آشفتگی در جریان ورودی بکار رفته است. مدل آشفتگی و تکنیک مزبور ضمن پیش بینی مناسب توزیع سرعت، جابجایی محل حداکثر سرعت ماکزیمم کانال اصلی و سیلابدشت را نیز به خوبی پیش-بینی کرده است. نتایج حاصله نشان داد، در جریان عبوری از کانال مرکب با یک ردیف مانع گیاهی در امتداد سیلابدشت پنج مکانیزم قابل مشاهده است. برخی از این مکانیزم ها در کانال مرکب بدون پوشش گیاهی نیز وجود دارند اما سایر این مکانیزم ها ناشی از اثر مستقیم نیروی پسا بر جریان است. توزیع انتقال مومنتم جانبی در میانه فاصله دو مانع نشاندهنده ی احتمال انتقال بار معلق به سیلابدشت و رسوبگذاری در این ناحیه است.

استفاده از سرریزهای چندوجهی به دلیل کاهش قابل توجه هزینه و مشکلات اجرایی در مقایسه با سایر سرریزها، مورد توجه طراحان این نوع سازه ها است. در مناطقی که از لحاظ مکانی و افزایش عرض کلی جایگاه سرریز، محدودیت وجود دارد و یا در مناطقی که از لحاظ افزایش فضا و حجم اضافی برای سیل محدودیت داشته باشند، همچنین برای اصلاح و افزایش ظرفیت سرریز موجود، می توان از سرریز چندوجهی استفاده کرد. از طرفی تلاطم و آشفتگی جریان و اعمال ضربات شدید آب بر کف و دیواره های جانبی کانال آب بر و به طور کلی شرایط نامناسب جریان داخل کانال آب بر، کارایی این سرریزها را با مشکل مواجه می کند. در این پایان نامه ابتدا با استفاده از یک نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی (flow-3d) به بررسی جریان سه بعدی در سرریز uشکل با به کارگیری مدل آشفتگی rng پرداخته می شود. با توجه به اهمیت ورود هوا به جریان در سازه های هیدرولیکی به شبیه سازی جریان دوفازی در موضوع تحقیق حاضر پرداخته شده است. نتایج به دست آمده در مقایسه با شبیه سازی عددی تک فاز، حاکی از بهبود پیش بینی جریان است. سپس با درنظر گرفتن مدل با ابعاد واقعی، تأثیرات مقیاس در مدل های آزمایشگاهی بررسی شده است. نتایج نشان می دهد مدل های فیزیکی در پیش بینی ورود هوا به جریان مناسب نیستند و میزان هوای وارد شده وابسته به عدد رینولدز است و از تشابه فرودی تبعیت نمی کند. در ادامه به بررسی پارامتریک اثر تغییرات هندسه سازه سرریز برای دستیابی به الگوی مناسب جریان پرداخته شده است. در انتها نیز اثر پلکانی کردن پروفیل اوجی سرریز به منظور کاهش تلاطم و نوسانات فشار کانال جانبی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاکی از آن است که روش پیشنهادی در مقایسه با سرریز های اوجی شرایط جریان را بهبود می بخشد.

شکست سد از جمله پدیده هایی است که به دلیل وارد نمودن خسارات مالی و جانی، زیست محیطی و اجتماعی زیاد، دارای اهمیت فراوانی می باشد. در این تحقیق پدیده شکست سد در یک رودخانه که بازه پائین دست سد به صورت قوسی می باشد به صورت سه بعدی مدل سازی عددی شده و تأثیر مشخصات هندسی قوس پائین دست و عمق اولیه آب در مخزن بر نحوه حرکت موج و جریان غیر دائم ایجادشده در بازه قوسی پایین دست سد مطالعه شده است. بر اساس نتایج مدلسازی های صورت گرفته، در لحظات اولیه شکست سد، بخاطر تاثیر موج دینامیکی، یک پیک موضعی در هیدروگراف سیلاب رخ می دهد. وجود بازه قوسی باعث کاهش شتاب حرکت موج سیلاب شده و تاثیر قوس بر روند حرکت موج سیلاب در امتداد جداره داخلی بسیار بیشتر از جداره های خارجی و خط مرکزی کانال می باشد. تغییر شعاع انحنا تاثیر بسزایی بر حرکت موج سیلاب در امتداد جداره داخلی قوس داشته است ولی در سرعت حرکت موج سیلاب در امتداد جداره بیرونی و خط مرکزی کانال تغییر چندانی ایجاد نکرده است. میزان تاثیر گذاری عمق بر سرعت حرکت موج در جداره داخلی زیاد بوده و با حرکت به سمت جداره بیرونی، تاثیر گذاری آن کمتر می شود. با کاهش شعاع انحنای قوس، شیب شاخه صعودی هیدروگراف سیلاب کاهش پیدا کرده و مقدار دبی پیک نیز افت می کند. علاوه بر آن، زمان وقوع دبی پیک نیز با کاهش شعاع انحنا، به تاخیر می افتد. بر خلاف تغییر شعاع انحنا، افزایش زاویه قوس، تاثیر چندانی بر زمان وقوع دبی پیک ندارد. مشابه تغییر شعاع انحنا، تغییر زاویه قوس تاثیری در شکل شاخه نزولی هیدروگراف ندارد.