وجود جریانهای آشفته و حلزونی و همچنین خاصیت سه بعدی جریان در خم ها و رودخانه های طبیعی باعث پیچیدگی الگوی جریان در این مسیرها شده است. با ورود جریان به قوس در اثر نیروی گریز از مرکز شیب عرضی در سطح آب ایجاد شده که باعث افزایش سطح آب در قوس خارجی و کاهش آن در قوس داخلی می‏شود. در نتیجه گرادیان فشار جانبی در داخل مقطع قوس تشکیل شده که با غلبه آن بر نیروی گریز از مرکز جریانی در جهت عرضی داخل مقطع شکل می‏گیرد که جریان ثانویه نامیده می‏شود. این جریان ثانویه قوی مشخصه اصلی جریان در کانال‏ها‏ی باز قوسی شکل است و باعث تشکیل یک الگوی جریان پیچیده در قوس‏ها و رودخانه‏های مئاندری می‏شود. این الگوی جریان یک توپوگرافی نامنظمی در قوس ایجاد کرده و باعث فرسایش و رسوبگذاری می‏شود. به همین دلیل استفاده از روش های مختلف جهت دست یافتن به دانش هیدرودینامیکی از الگوی جریان در مسیرهای قوسی لازم است. در این تحقیق ابتدا با استفاده از مدلسازی عددی ansys cfx جریان در قوس 90 درجه بصورت سه‏فازی (هوا، آب و رسوب) و سه بعدی شبیه‏سازی شده و با استفاده از نتایج مطالعات آزمایشگاهی انجام شده در دانشگاه تربیت مدرس تهران نتایج حاصل از حل عددی صحت سنجی شده اند. سپس تغییرات سرعت جریان در جهت طولی, عرضی و عمودی، تأثیرات جریان‏های ثانویه، تغییرات تراز بستر در مقاطع عرضی مختلف، تأثیر رسوب و شعاع انحنای نسبی بر روی الگوی جریان در قوس بررسی گردید و همچنین نتایج حاصل از شبیه‏سازی عددی در سه حالت تک فازی، دو فازی و سه فازی با یکدیگر مقایسه شده اند. پروفیل‏های سرعت محوری حاصل از نتایج آزمایشگاهی و عددی نشان داد که روش عددی به خوبی الگوی جریان در قوس را پیش‏بینی کرده است. در ادامه با استفاده از حل تحلیلی معادلات حاکم بر جریان در قوس، تغییرات قائم سرعت عرضی در طول محور کانال و نیز تغییرات سرعت طولی در سطح آب و در محور قوس ارزیابی شده است. همچنین نتایج حاصل از حل تحلیلی با نتایج آزمایشگاهی، شبیه سازی عددی و نتایج تحلیلی سایر محققین مقایسه شده اند. توزیع قائم سرعت عرضی و توزیع سرعت طولی بر روی سطح آب در مقاطع مختلف کانال نشان داد که در مقایسه با حل تحلیلی، مدل عددی در پیش بینی توزیع سرعت عرضی و طولی عملکرد بهتری داشته است. در بخش آخر این تحقیق با استفاده از روش های هوش مصنوعی الگوی جریان در قوس‏‏ها پیش بینی شده است که جهت آموزش شبکه عصبی از دو روش الگوریتم ژنتیک و پس انتشار خطا استفاده شده و نتایج آن‏‏ها با هم مقایسه گردیده است. در انتها نتایج حاصل از شبکه عصبی با نتایج حاصل از شبیه‏‏سازی عددی مورد مقایسه قرار گرفته است. مهمترین مزیت بکارگیری شبکه عصبی مصنوعی در این پژوهش، تقریب مقادیر سرعت برای نقاطی است که در آن‏ها داده‏های آزمایشگاهی موجود نیستند. مقایسه نتایج حاصل از شبکه عصبی مصنوعی و داده های آزمایشگاهی نشان داد که نتایج بدست آمده از شبکه های عصبی تطابق خیلی خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارند و شبکه عصبی با دقت خوبی مقادیر سرعت در قوس را پیش‏بینی کرده‏است. همچنین در بین دو روش آموزش بکار رفته برای آموزش شبکه عصبی مشخص شد که در شرایط در نظر گرفته شده در این پژوهش، روش الگوریتم ژنتیک دارای نتایج بهتری نسبت به روش پس انتشار خطا است.

مهم ترین مشخصه جریان آب های کم عمق آن است که ابعاد قائم جریان، نسبت به طول و عرض آن بسیار کوچک بوده و جریان تقریباً افقی فرض می شود لذا می توان توزیع فشار را هیدرواستاتیک در نظر گرفت و یا از مولفه سرعت در جهت قائم صرفه نظر نمود. این گونه فرضیات منجر به ساده سازی قابل ملاحظه ای در فرمول سازی و حل معادلات می گردد. مهم ترین کاربرد جریان آب های کم عمق موارد زیر می باشد: جریان های جوی، امواج طوفان، جریان در اطراف سازه ها، شکست سد، سونامی، جریان های دریاچه ای و رودخانه ای، پخش سیلاب و.... . در حل عددی معادلات جریان آب های کم عمق، عموماً از روش های تفاضل محدود یا حجم محدود استفاده می شود. ورود روش های اجزاء محدود و روش های هیبریدی به حوزه مسائل هیدرودینامیکی با توجه به قابلیت های بالای این روش در مدل سازی هندسه های نامنظم موجب گردید که توجه علاقه مندان به معادلات جریان آب های کم عمق بیشتر گردد. در تحقیق پیش رو، کاربرد مدل اجزاء محدود با المان دو گرهی خطی استفاده گردید که خطا و ناپایداری عددی بسیار زیادی در این المان مشاهده شد و بنابراین معادلات شکست سد در حالت یک بعدی با المان های سه، چهار، پنج، شش، هفت و هشت گرهی گسسته سازی شد و برای اولین بار این اجزاء غیر خطی با تعداد گره بالا (گسسته سازی معادلات حاکم تا المان های با بیست گره) در مدل سازی شکست سد توسعه داده شد. بدین منظور ابتدا معادلات حاکم بر پدیده شکست سد (اندازه حرکت و پیوستگی) استخراج گردیده و فرضیات حاکم و انواع شرایط مرزی تشریح می گردد. در مرحله بعد جداسازی مکانی معادلات به روش عددی اجزاء محدود و بر مبنای گسسته سازی ریلی ریتز صورت گرفته و جدا سازی زمانی به روش ضمنی صورت پذیرفت. در ادامه صحت سنجی مسئله حل تحلیلی جریان های غیر دائمی در رودخانه با مدل عددی حاضر مقایسه شده و با توجه به معیار "مجذور متوسط مربعات خطا" صحت سنجی مدل برآورد گردید. در این تحقیق برای کلیه مدل های عددی به زبان برنامه نویسی ویژوال بیسیک و به صورت یک نرم افزار کد نویسی شده است و در مسائل مربوط به جریان در کانال های باز مانند پدیده شکست سد جهت بررسی امکان غرق شدن مناطق مسکونی اطراف رودخانه و یا تخریب زمین های کشاورزی و غیره به جای استفاده از مدل های آزمایشگاهی که وقت و هزینه زیادی لازم دارند می توان از این نرم افزار استفاده نمود. در نهایت مشاهده شد المان های سه گرهی به بالا اگر چه زمان تحلیل را افزایش می دهد اما ناپایداری ها و نوساناتی که در پاسخ حل معادلات در استفاده از مدل های خطی به وجود می آید حذف می گردد. در نهایت مدل عددی برای پهنه بندی عبور سیلاب ناشی از شکست سد ارداک به کار گرفته شد.

تقاطع های کانال باز از اجزای جدایی ناپذیر و مهم در رودخانه ها و مهندسی هیدرولیک هستند. ساختار جریان در آنها تاثیرات زیادی بر روی نتایج اندازه گیری، انتقال رسوب و پخش آلودگی در تقاطع دارند. پدیده های محلی هیدرولیکی در نزدیکی تقاطع کانال ها، به سبب تاثیر در شرایط جریان کانالهای بالادست از لحاظ طراحی اهمیت زیادی دارند. سطح آزاد، توزیع سرعت و تنش برشی در آنها بطور طبیعی سه بعدی می باشد. توزیع کمیت های دیگر از قبیل پخش و ضرائب پراکنش و همه فرایندهای انتقال سه بعدی هستند. این پایان نامه، یک مطالعه کاراکتری تفصیلی بر پایه مقایسه با داده های آزمایشگاهی را ارائه کرده و با بررسی جریان در تقاطع کانال های باز به سوال هایی که در مطالعات انجام گرفته مطرح هستند، پاسخ می دهد. در این پژوهش الگوی جریان در تقاطع کانال باز با زاویه انشعاب 90 درجه و با استفاده از بسته نرم افزاری? ansys - cfx? در حالت سه بعدی هم ?بصورت دو فازی (هوا و آب) و هم یک فازی (آب) شبیهسازی و جهت صحت سنجی شبیهسازی عددی از نتایج آزمایشگاهی استفاده شده? است. در ادامه الگوی جریان و پروفیلهای سرعت در طیف وسیعی شامل مقایسه نتایج یک فاز و دو فاز انتخاب مش مناسب، اثر نسبت دبی (نسبت دبی بالادست به دبی پایین دست)، اثر عدد فرود، اثر عمق پایین دست بررسی مقایسه شده است. نمودارها و جداول این پژوهش به منظور تحلیل تغییرات سطح آب، میدان سرعت، و ابعاد ناحیه جداشده در مهندسی هیدرولیک و طراحی سازه های هیدرولیکی کاربرد دارد. نتایج عددی با داده های آزمایشگاهی مقایسه و تطابق بالایی را نشان داده اند. اهداف اصلی این مقاله عبارتند از 1) توصیف الگوی جریان در تقاطع های کانال باز، 2) بررسی اثرات پارامترهای هیدرولیکی روی میدان سرعت و عمق جریان، و 3) مطالعه اثر پارامترهای هیدرولیکی روی ناحیه جداشده در تقاطع ها.

ازجمله مسائلی که در سیستم های انتقال آب بوجود می آید، وجود انحناء می باشد لذا وجود قوس در کانال ها امری اجتناب ناپذیر می باشد. خاصیت جریان درون خم ها سه بعدی بوده و می تواند تغییرات متعددی از نقطه نظر هیدرولیکی بوجود آورد. از جمل? این تغییرات، تغییر در سرعت، سطح آب، فرسایش و رسوب و همچنین ظهور جریان های ثانویه و حلزونی می باشد. در یک تقسیم بندی صورت گرفته، خم ها در دو دست? تند و ملایم قرار می گیرند که مخاطرات ذکر شده در اثر عبور جریان در خم های تند شدیدتر می باشد. از همین رو مراجع مختلف در تعیین هندس? قوس حداقل شعاع انحناهای بزرگی را برای کاهش این آثار پیشنهاد می نمایند، که رعایت آن ها به جهت وجود توپوگرافی پیچیده و یا مسائل اقتصادی همیشه امکان پذیر نیست. شکل واقعی رودخانه ها در بسترهای آبرفتی به علت فرسایش کناره ها و بستر پیچیده و متغییر است، از آن جمله تغییر سطح مقطع و تغییر شعاع انحناء می باشد. در این پژوهش به بررسی تغییرات متوالی شعاع انحناء در خم 120 درجه پرداخته می شود، که می تواند در نتیج? شرایط طبیعی و عوامل توپوگرافی بوجود آمده و یا عمداً همان گونه که در راهسازی از قوس های مرکب و کلوتئیدی استفاده می شود، این تغییر و در جهت کاهش اغتشاشات و آثار سوء خم تند بوجود آمده باشد. نوع تحقیق استفاده از مدل سازی عددی بوده که مبتنی بر نرم افزار فلوئنت می باشد. ابتدا مدل عددی با داده های آزمایشگاهی که مربوط به یک خم تند 90 درجه و یک خم ملایم 180 درجه می باشد، مقایسه و صحت سنجی شد و کارایی مدل عددی در پیش بینی مکانیزم های جریان مورد تأیید قرار گرفت. پس از آن به بررسی خم های متعدد با شعاع انحناهای ترکیبی مختلف (خم مرکب) پرداخته شد. بررسی نتایج حاکی از تغییر الگو و تعدیل در مقادیر سرعت، سطح آب، تنش برشی و جریان ثانویه می باشد که در اثر ترکیب دو رفتار متفاوت خم های تند و ملایم می باشد. بطوریکه خم-(های) ملایم قادر خواهند بود مقادیر پارامترهای ذکر شده در خم(های) تند موجود در خم مرکب را تا حدودی تعدیل دهند.

در این تحقیق با استفاده از مفهوم انتروپی تسالیس و ماکزیمم سازی آن به کمک ضرایب لاگرانژ، رابطه ای برای پیش بینی توزیع تنش برشی در کانال های باز بدست آمده است. با توجه به اینکه ساده ترین مقطع هیدرولیکی کانال با مقطع عرضی مستطیلی می باشد، صحت سنجی رابطه در کانال مستطیلی صورت پذیرفته است. بر اساس نتایج محققین در پیش بینی توزیع تنش برشی مرزی، رابطه حاصل به دو رابطه مجزا برای بستر ودیوار کانال مستطیلی تفکیک شده است. با کمک دو رابطه بدست آمده، توزیع تنش برشی در چندین ارتفاع جریان در کانال مستطیلی محاسبه و ترسیم شده است که هماهنگی بسیار نزدیکی با نتایج آزمایشگاهی از خود نشان می دهد. درصد خطای متوسط بدست آمده از رابطه در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی در کانال مستطیلی کمتر از 4% بوده است. در بررسی بیشتر رابطه در مقاطع عرضی دیگر، سه الگوی مختلف از رابطه معرفی شده برای پیش بینی توزیع تنش برشی مرزی ارائه شده است. حالت اول: الگویی برای پیش بینی توزیع تنش برشی در کانال با مقطع عرضی دایره ای، حالت دوم: الگویی که برای پیش بینی توزیع تنش برشی در کانال با مقطع مستطیلی استفاده شده که از آن برای کانال دایره ای با کف پر شده از رسوبات نیز استفاده شده است و حالت سوم: الگویی که برای پیش بینی توزیع تنش برشی در کانال ذوزنقه ای کاربرد دارد. با استفاده از سه الگوی مختلف توزیع تنش برشی در کانال دایره ای، دایره ای با کف پر شده از رسوبات و کانال ذوزنقه ای محاسبه و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. با توجه به نتایج حاصله می توان گفت که مدل های ارائه شده کاملا با نتایج آزمایشگاهی هماهنگ و بر آن ها منطبق می باشند. مقادیر درصد خطای متوسط الگوهای ارائه شده در مقاطع عرضی مختلف در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی محاسبه شده است. درصد خطای متوسط در کانال دایره ای 2.7%، در کانال دایره با کف پر شده از رسوبات 3.8% و در کانال ذوزنقه ای 5.4% بوده است. با استفاده از معادلات ارائه شده برای پیش بینی توزیع تنش برشی مرزی در کانال مستطیلی و تعریف نیروی برشی دیوار و بستر، روابطی برای محاسبه مقدار تنش برشی متوسط در دیوار وبستر کانال مستطیلی حاصل شده است. به کمک دو رابطه حاصله، مقادیر تنش برشی متوسط در بستر ودیوار کانال مستطیلی در نسبت های مختلف b/h محاسبه شده است. با استفاده از این مقادیر و تقسیم آن ها بر مقادیر نظیر ghs? و grs? مقادیر تنش برشی بدون بعد در بستر و دیوار کانال محاسبه گردیده و تغییرات آن ها بر حسب میزان b/h ترسیم شده است. به کمک نتایج حاصل 4 رابطه برای پیش بینی تنش برشی بدون بعد (به کمک ارتفاع جریان و شعاع هیدرولیکی) در دیوار و بستر کانال و یک رابطه برای نسبت تنش برشی متوسط دیوار به بستر حاصل شده است. روابط بدست آمده در مقایسه با دو معادله تنش برشی متوسط محاسبه شده بسیار ساده بوده و تنها تابعی از نسبت b/h می باشند. در مقایسه روابط حاصله با روابط الیور و همکاران، 1999 که از تلفیق نتایج آزمایشگاهی بدست آمده از کانال و مجرای مستطیلی حاصل شده و نتایج آزمایشگاهی واقع در کانال و مجرای مستطیلی، مشاهده شده که روابط الیور و همکاران، 1999 به سمت نتایج بدست آمده از مجرای مستطیلی متمایل می شوند و مقداری با روابط بدست آمده در این تحقیق که از کانال مستطیلی حاصل شده است متفاوت می باشند. با کمک الگوی به کار رفته در کانال مستطیلی، توزیع تنش برشی در یک کانال مرکب با کانال اصلی مستطیلی و سیلاب دشت با دیوار قائم محاسبه شده است. همچنین نتایج بدست آمده با روابط ارائه شده توسط گو جولین، 2005 ، نایت و استرلینگ، 2002 و خداشناس و پاکووار، 1999 مقایسه شده است. نتایج حاصله نشان می دهد که الگوی معرفی شده نسبت به سه روش دیگر در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی عملکرد بسیار بهتری را از خود نشان می دهد.

سرعت یکی از اساسی ترین متغیرها از جریان کانال باز است و تغییرات آن درمقابل یک مقطع توسط توزیع پروفیل سرعت توصیف می شود و به عنوان یک پارامتر کلیدی برای تعیین مشخصات جریان مانند سرعت متوسط و ماکزیمم دبی، توزیع تنش برشی، رسوبگذاری، فرسایش، تلفات هد، ضریب انرژی و ضریب مومنتوم موردنیاز است. در کانال هایی با نسبت عرض به عمق کمتر از پنج سرعت ماکزیمم در پایینتر از سطح آزاد آب رخ می دهد، چنین کانال هایی را کانال های تنگ می نامند. در کانال های تنگ تاثیر شرایط غیر ایزوتروپی آشفتگی حائز اهمیت بوده و جریانهای ثانویه تیپ دو پرانتل در مقطع وجود دارد. لذا قوانین توزیع سرعت لگاریتمی و اصلاحات پس از آن توانایی ارائه پروفیل سرعت در چنین کانال هایی را دارا نبودند. در حقیقت یک حرکت ثانویه ضعیف در مقطع عرضی و انتقال مومنتوم ناشی از آن از طرف دیواره های کناری کانال به سمت مرکز کانال سبب می شود ماکزیمم سرعت طولی در پایین تر از سطح آزاد آب اتفاق افتد. علاوه بر این دبی طی دوره سیلاب، دارای اطلاعات بسیار مهم ضروری برای کنترل سیلاب و طراحی مدیریت منابع آب است. به واسطه سرعت های سیلاب شدید، دبی سیلاب معمولا نمی تواند به طور موثر ومفید با روش های رایج اندازه گیری شود. هدف از این تحقیق، توسعه روش موثر برای برآورد توزیع سرعت و دبی در کانال های رو باز تنگ با استفاده از مفهوم آنتروپی تسالیس است. این پایان نامه به کاربرد تئوری آنتروپی و نشان دادن توانایی آن در پیش بینی توزیع سرعت و دبی در کانالهای روباز اشاره می کند. صحت سنجی روش توسعه یافته و معادله توزیع سرعت و دبی توسط مقایسه نتایج برآورد شده با مقادیر اندازه گیری شده در ایستگاه های کانال های تنگ واقعی و ایستگاه های اندازه گیری شده رودخانه انجام شده است. در این پایان نامه روشی برای محاسبه توزیع سرعت و برآورد دبی در کانالهای روباز عریض و تنگ با استفاده از مفهوم آنتروپی تسالیس توسعه یافته و آنتروپی تسالیس به داده های سرعت بدست آمده در کانالهای روباز واقعی اعمال شده است. معادلات توزیع دو بعدی در یک مقطع عرضی مفروض با کاربرد آنتروپی تسالیس استخراج شده و سرعت های برآورد شده با داده های کانال های روباز تنگ بررسی گردیده است. در بخش بعدی پایان نامه بحث درباره موقعیت سرعت ماکزیمم در کانال ها و رودخانه ها و رابطه بین سرعت ماکزیمم و سرعت متوسط و سپس محاسبه دبی و بررسی آن با داده های آزمایشگاهی و میدانی در کانال ها و رودخانه ها انجام شده است. رابطه آنتروپی تسالیس نسبت به ضرایب انرژی و مومنتوم حاصل شده است. و درنهایت توزیع سرعت برمبنای آنتروپی تسالیس با مدل های توزیع سرعت لگاریتمی، کولز، سارما، یانگ، چیو، بنکداری، ابسی و احدی مقایسه شده است.

کلید مدیریت موفق شبکه های فاضلاب فهم دقیق مقدار جریان است. جریان سنج های اکوستیک داپلر ابزار معمول اندازه گیری استفاده شده در هیدرولوژی شهری است. متاسفانه، اندازه گیری مقدار جریان در فاضلاب اغلب گران، نیازمند نیروی انسانی زیاد و محدودیت عملکرد تکنولوژی موجود ممکن است به نتایج نادرست منجر گردد. دینامیک سیالات محاسباتی (cfd) می تواند ابزار مناسبی برای اندازه گیری دقیق تر و بهتر دبی باشد. یک روش جدید اندازه گیری جریان، بر اساس استفاده از نرم افزار (cfd) است، که دقت اندازه گیری دبی جریان در کانال باز و لوله ها را حتی در شرایط هیدرولیکی پیچیده بالا می برد. در این پایان نامه، در قدم اول، یکی از روش های کاربردی (cfd)، برای محاسبه ضریب کالیبراسیون، برای بدست آوردن سرعت متوسط در سنسورهای التراسونیک داپلر مختلف که بایستی به مقدار سرعت اندازه گیری شده اعمال شود ارائه شده است. ضریب کالیبراسیون سنسورهای داپلر به پارامترهای مختلفی مانند، هندسه کانال، موقعیت قرارگیری سنسور، نوع سنسور، شرایط هیدرولیکی و در مقیاس کوچکتر به عدد رینولدز و زبری دیواره بستگی دارد. در این مطالعه به تعیین تئوریک اندازه گیری های انجام شده به وسیله سنسور بر اساس موقعیت قرارگیری آن در کانال و مشخصات خاص سنسور پرداخته شده است. انتخاب مقطع مناسب برای انجام اندازه گیری مقدار جریان بسیار مهم است. علاوه بر این، کارایی ابزارهای موجود به شرایط هیدرولیکی وابسته است. انحراف مسیر کانال در شبکه های فاضلاب به طور معمول استفاده می شود. انحراف باعث ایجاد تغییر قابل ملاحظه ای در توزیع سرعت محوری می شود. الگوی جریان پس از انحراف، تاثیرات زیادی بر روی نتایج حاصل از اندازه گیری دبی به وسیله سنسورهای سرعت دارد. در این مطالعه، شبیه سازی سه بعدی کانال انحراف دار با استفاده از نرم افزار ansys cfx، انجام شده و الگوی جریان پس از انحراف مورد بررسی قرار گرفت. پژوهش حاضر با اهداف زیر انجام شده است: الف) تعیین ضریب کالیبراسیون برای انواع مختلف سنسورها و موقعیت قرار گیری آنها، ب) ارائه الگوی اجرایی در زمینه انتخاب نوع و محل قرار گیری سنسورها در مقطع، پ) مطالعه تأثیر زاویه انحراف و عمق آب در اندازه گیری سرعت متوسط پس از انحراف مسیر کانال، ث) بررسی تأثیر زاویه انحراف در طول توسعه یافتگی جریان پس از انحراف، ج) بدست آوردن فرمولی برای محاسبه طول مناسب جهت نصب سنسور اندازه گیری سرعت پس از انحراف، به عنوان تابعی از عمق آب، د) مطالعه تأثیر نوع سنسور در ارائه نتایج پس از انحراف.

جریان عبوری از مجاری فاضلابرو اغلب دارای مواد جامد معلق است و اگر شرایط لازم به منظور انتقال رسوب مهیا نباشد، ته نشینی رسوب رخ می دهد که سبب مشکلات فراوانی در سیستم های فاضلاب می شود. روش های متفاوتی به منظور انتقال رسوب در فاضلاب ها ارائه شده است اما به دلیل عدم شناخت کافی از عوامل موثر بر انتقال رسوب، این روش ها در شرایط مختلف نتایج متفاوتی را ارائه می دهند. در این پایان نامه ابتدا روش های انتقال رسوب موجود در مجاری فاضلابرو که با استفاده از دو روش آنالیز ابعادی و روش نیمه تجربی برای هر دو حالت حد ته نشینی و بستر ته نشین شده، ارائه شده اند، بررسی شده است. سپس به منظور ارائه روش طراحی جهت تعیین سرعت حداقل مورد نیاز در مجاری فاضلابرو، روابط انتقال رسوب در حالت های بستر ته نشین شده و حد ته نشینی با استفاده از روش های مختلف ارائه می شود. در ادامه با استفاده از محاسبات نرم، عدد فرود مورد نیاز جهت انتقال رسوب، برآورد می شود. روش های استفاده شده شامل شبکه عصبی پرسپترون چند لایه، الگوریتم های تکاملی شامل الگوریتم ژنتیک، الگوریتم رقابت استعماری و الگوریتم اجتماع ذرات، سیستم های استنتاج فازی و برنامه-نویسی اصطلاحات ژنتیکی می باشد. در برآورد عدد فرود با استفاده از این روش ها، پارامترهای موثر بر انتقال رسوب در پنج گروه بی بعد مختلف موسوم به پارامترهای حرکت، انتقال، رسوب، شکل انتقال و مقاومت جریان دسته بندی شده است. در ادامه به منظور برآورد عدد فرود که عضو گروه پارامتر حرکت می باشد، اثر چهار گروه دیگر که هر یک شامل پارامترهای بی بعد مختلفی می باشند، مدل های شش گانه ای ارائه می شود و اثر هر یک از پارامترها بر دقت نتایج توسط روش های مختلف بررسی می شود. در نهایت با استفاده از عدد فرود برآورد شده به منظور کنترل مسائل ناشی از وجود رسوب در مجاری فاضلابرو، روشی به صورت مرحله به مرحله ارائه می شود. این روش تمام فاکتورهای موثر بر حرکت و ته نشینی رسوب و همچنین عملکرد هیدرولیکی رسوب را در نظر می گیرد.

چکیده تلاقی کانال¬های روباز، یکی از مهم¬ترین اجزای سازه¬های هیدرولیکی و سیستمهای رودخانهای بوده، مطالعهی آن در مهندسی هیدرولیک بسیار مهم است. بنابراین، هدف از این پایان¬نامه شبیه¬سازی الگوی جریان در تلاقی 90 درجه دو کانال روباز هم عرض می¬باشد. برای شبیه¬سازی سطح آزاد آب از روش حجم سیال و برای پیش¬بینی پارامترهای آشفتگی جریان از مدل آشفتگی rng k-ε استفاده شده است. در ابتدا، نتایج شبیه¬سازی عددی با اطلاعات آزمایشگاهی موجود مقایسه شد و تطابق قابل قبولی به دست آمد. پس از صحتسنجی، اثر تغییر خصوصیاتی مانند نسبت دبی، نسبت عرض پاییندست به بالادست کانال اصلی، ناهمواری بستر و زبری کف، بر هیدرولیک جریان بررسی شد. یکی از نقاط قوت این پایاننامه کاربرد مقاطع مرکب در تلاقی کانالهای روباز است که در مطالعات پیشین مورد بررسی قرار نگرفته بود. نتایج نشان دادند که جریان شاخه¬ی فرعی تأثیر مستقیمی بر ابعاد ناحیهی جدایی جریان، شدت جریانهای ثانویه و تنش برشی کف دارد. همچنین بررسیهای انجامشده بر روی تأثیر زبری بر هیدرولیک جریان نشان دادند که افزایش زبری کف کانال اصلی، ابعاد ناحیهی جدایی جریان و در نتیجه مقادیر سرعت در مجاورت کف را کاهش میدهد، درحالیکه در نمونه با زبری در کف کانال فرعی، ناحیهی جدایی بزرگتری تولید شده و سرعتهای جریان در مجاورت کف افزایش مییابند. با توجه به نتایج حاصل از شبیه سازی تلاقی کانال های غیر هم کف، مهمترین اثر ایجاد پله حذف کامل ناحیه¬ی جدایی در مجاورت کف کانال، به علت کاهش انحراف جریان کانال اصلی و انتقال آن از پای پله به سمت پاییندست تلاقی است. همچنین در شبیه سازی جریان تلاقی کانال های روباز مرکب، مشخص شد که طرز قرار¬گیری دشت سیلابی و کانال در الگوی جریان تلاقی کانالهای مرکب تأثیر زیادی دارد و بهتر است دشت سیلابی در گوشهی پایین¬دست محل اتصال دو کانال قرار گیرد. کلمات کلیدی: تلاقی کانالهای روباز، جریان آشفته، شبیهسازی عددی، نرمافزار فلوئنت، تلاقی کانالهای غیرهمکف، کانال های مرکب

تقاطع دو کانال باز یک رخداد عمومی و مهم در بسیاری از رودخانه ها، سازه های تنظیم کننده رفتار فاضلاب و نیز سازه های هیدرولیکی می باشد که بعلت اثرات فراوانی که بر روی ساختار جریان شامل نتایج اندازه گیری، انتقال رسوب و پخش آلودگی در جریان دارند، در مهندسی هیدرولیک اهمیت بسیاری دارند. محل تقاطع نقطه ایست که دو جریان یا بیشتر با یکدیگر مخلوط می شوند. این نقطه مکانیست که تغییرات سریعی در جریان، رسوب و هندسه جریان رخ می دهد. فهمیدن دینامیک جریان در تقاطع یکی از بزرگترین دغدغه های مهندسین رودخانه، دانشمندان مورفولوژیست رودخانه ای و رسوب شناسان می باشد.در طراحی سازه های هیدرولیکی، رفتار جریان در محل تقاطع درباره فرسایش کف کانال که منجر به انحراف جریان می شود و یا اصابت دهانه جریان ها با یکدیگر مورد توجه می باشد. سطح آزاد، توزیع سرعت، تنش برشی و نیز کمیت های دیگر از قبیل پخش، ضرائب پراکنش و همه فرایندهای انتقال سه بعدی هستند که برای جمع آوری یک سری اطلاعات کامل برای صحت سنجی سه بعدی کد cfd سطح آزاد جریان متداول است. این پایان نامه، یک مطالعه تفصیلی بر پایه مقایسه با داده های آزمایشگاهی می باشد که با بررسی جریان در تقاطع کانال های باز به سوالات مطروحه در مطالعات انجام گرفته، پاسخ می دهد. هدف این پروژه جمع آوری یک سری اطلاعات است که شرایط سه بعدی جریان را در یک تقاطع توصیف کند. در این پژوهش الگوی جریان در تقاطع کانال باز با زاویه انشعاب 90 درجه و با استفاده از بسته نرم افزاری ansys–cfx? درحالت سه بعدی شبیهسازی و جهت صحت سنجی شبیهسازی عددی از نتایج آزمایشگاهی موجود استفاده شده? است. نتایج عددی با داده های آزمایشگاهی مقایسه و تطابق بالایی را نشان داده اند. در ادامه الگوی جریان در نواحی ایجاد شده بر اثر ورود جریان انحرافی به کانال اصلی بررسی و با نتایج مطالعه آزمایشگاهی مورد مقایسه قرار داده شده است. در ادامه اثرات میزان اصطکاک دیواره کانال بر روی کل جریان و نیز نواحی مختلف آن در محل تقاطع مورد بررسی قرار گرفته است. نمودارها و جداول این پژوهش به منظور تحلیل تغییرات سطح آب، میدان سرعت و ابعاد ناحیه جداشده در مهندسی هیدرولیک و طراحی سازه های هیدرولیکی کاربرد دارد??. اهداف اصلی این مقاله عبارتند از: 1) توصیف الگوی جریان در محل تقاطع کانال های باز، 2) بررسی اثرات نسبت دبی بر روی هندسه ناحیه جداشدگی، و 3) مطالعه اثر پارامتر زبری دیواره های کانال بر روی ناحیه جداشده در تقاطع ها.?

رودخانه¬ها از دیرباز به عنوان یکی از اساسی¬ترین منابع تأمین آب، مورد توجه انسان بوده¬اند ؛ به¬طوری¬که تمدن¬های بزرگ بشری برای بهره¬گیری از نعمت آب در حاشیه رودخانه¬ها شکل گرفته¬اند و از این رو نقش حیاتی در زندگی بشر ایفا می¬کنند .جریان در رودخانه¬ها و مجاری باز در مسیر حرکت خود علاوه بر عبور از مسیر¬های مستقیم ناچار به گذر از مسیر¬هایی با انحناهای مختلف می¬باشد. با ورود جریان به قوس رودخانه¬ها، در اثر نیروی گریز از مرکز و اندرکنش آن با گرادیان¬های جانبی فشار ناشی از شیب جانبی سطح آب، جریانی تشکیل می¬شود که به جریان ثانویه موسوم است .در این جریان، آب در تراز بالاتر کانال به طرف قوس خارجی رانده می¬شود و در نزدیکی بستر به سمت قوس داخلی حرکت می¬کند. در اثر اندرکنش بین جریان-های ثانویه و عدم یکنواختی پروفیل سرعت در عمق، الگوی جریانی به نام جریان حلزونی تشکیل می¬شود که این الگوی جریان، باعث ایجاد آشفتگی شدید و توپوگرافی نامنظم می¬شود که باعث افزایش سرعت در قوس خارجی و در نتیجه موجب فرسایش آن و کاهش سرعت در جداره دخلی و در نتیجه رسوب¬گذاری در این منطقه می¬شود. یکی از راه¬های تثبیت ساحل خارجی قوس رودخانه¬ها استفاده از آبشکن می¬باشد. با بکارگیری آبشکن در این مسیر پیچیدگی رفتار جریان به دلیل ترکیب دو جریان اطراف آبشکن و جریان در قوس افزایش می¬یابد. بنابراین درک هیدرولیک جریان در قوس رودخانه¬ها با وجود آبشکن مورد مطالعه بسیاری از محققان می¬باشد و شبیه¬سازی جریان در کانال قوسی با حضور آبشکن به شناخت رفتار آن کمک فراوانی می¬کند .در این پایان¬نامه با استفاده ازنرم¬افزار fluent بصورت سه بعدی به شبیه¬سازی رفتار سه بعدی جریان اطراف آبشکن مستقر در نیمه قوس خارجی استفاده شده است. برای شبیه¬سازی سطح آزاد از روش حجم سیال و برای بستن معادلات ناویراستوکس از مدل k-? rng استفاده شده است. دراین تحقیق ابتدا الگوی جریان اطراف آبشکن مستقیم با دماغه صاف در قوس 90 درجه مورد بررسی قرار گرفت سپس با صحت سنجی نتایج عددی با داده¬های آزمایشگاهی آقای پناهپور و مطابقت خوب نتایج حاصل با هم در مرحله بعد به منظور تاثیر پارامتر ضخامت این نوع آبشکن بر الگوی جریان، شبیه¬سازی با پنج ضخامت متفاوت آبشکن انجام شد وشاهد کاهش طول ناحیه جدا¬شدگی و تنش برشی ماکزیمم بی¬بعد شده بستر در مقاطع مختلف قوس شدیم. همچنین برای شناخت رفتار جریان اطراف آبشکن ها با شکل هندسی دیگر دماغه تحت تأثیر ضخامت آبشکن ، شبیه¬سازی اطراف آبشکن¬های مستقیم دماغه گرد انجام گرفت که موید کاهش ابعاد ناحیه جدا¬شدگی، ناحیه سکون، تنش برشی ماکزیمم بی¬بعد شده و تقریبا کاهش سرعت ماکزیمم می¬باشد. با مقایسه نتایج حاصل، اثر شکل دماغه مشخص شد که نشانگر کاهش ابعاد ناحیه جداشدگی ،کاهش مقدار و حجم ناحیه با تنش برشی ماکزیمم، افزایش تراز سطح آب در محل استقرار و پایین¬دست آبشکن¬های دماغه گرد نسبت به دماغه صاف می¬باشد. همچنین اثر توام آنها بر رفتار جریان مشخص شد .در ادامه، اثر طول آبشکن با دو نوع شکل دماغه صاف و گرد انجام شد که شاهد افزایش ابعاد ناحیه جدایی جریان، افزایش تنش برشی ماکزیمم بی¬بعد شده با افزایش طول شدیم و در نهایت تأثیر توام شکل دماغه و طول آبشکن مشخص شد.

در این پایان نامه بررسی عددی الگوی جریان پیرامون آبشکن های نفوذپذیر در قوس ?? درجه انجام گرفته است. لذا ابتدا مدل عددی آبشکن نفوذناپذیر در قوس ?? درجه با استفاده از نرم افزار فلوئنت شبیه سازی شده است. پس از مقایسه داده های عددی حاصل از شبیه سازی و داده های آزمایشگاهی آبشکن نفوذناپذیر در قوس ?? درجه، مدل مذکور صحت سنجی شده است و به توسعه مدل عددی پرداخته شده است. بررسی و مقایسه نتایج عددی و آزمایشگاهی حاکی از انطباق قابل قبول نتایج عددی دارد. در ادامه آبشکن های نفوذپذیر با درصدهای بازشدگی ??، ?? و ?? درصد، شبیه سازی شده و نتایج حاصل از هریک با یکدیگر مقایسه شده اند. سپس پارامترهایی ازجمله ابعاد (ضخامت و طول) آبشکن نفوذپذیر بررسی و در انتها نیز الگوی جریان پیرامون آبشکن های نفوذپذیر و نفوذناپذیر با-یکدیگر مقایسه شده است. با بررسی خطوط جریان پیرامون آبشکن های نفوذپذیر نشان داده شده است که با کاهش نفوذپذیری طول ناحیه جداشده ی تشکیل شده در پایین دست آبشکن بیشتر می شود. همچنین با مقایسه سرعت ها و تنش برشی بستر پیرامون آبشکن های نفوذپذیر نشان داده شده است که هرچفدر درصد نفوذپذیری آبشکن کمتر باشد، سرعت و نیز تنش برشی بستر در ساحل خارجی بیشتر کاهش می یابد، اما در عوض، در ساحل داخلی و در نزدیک دماغه آبشکن شاهد افزایش سرعت و تمرکز تنش هستیم. ضمن اینکه نتایج حاصل از بررسی تأثیر ضخامت آبشکن نشان داده است که با افزایش ضخامت طول ناحیه جداشدگی کاهش می یابد. همچنین با افزایش طول آبشکن نفوذپذیر طول بیشتری از ساحل خارجی قوس محافظت می شود. در انتها نیز با مقایسه الگوی جریان پیرامون آبشکن نفوذپذیر و نفوذناپذیر، نشان داده شده تنش برشی ماکزیمم در آبشکن نفوذناپذیر بیشتر بوده و در نزدیک دماغه آبشکن قرار دارد و با نفوذپذیر کردن آبشکن سبب از بین بردن گردابه ی ایجاد شده در پایین-دست آبشکن شده ایم. درنهایت نتایج حاصل از این پژوهش با مقایسه ی مدل های مختلف و تغییر پارامترهایی مثل درصد نفوذپذیری، ضخامت آبشکن و طول آبشکن نشان می دهد که آبشکن های نفوذپذیری که ضخامت آن بزرگ تر و طول آن نیز بیشتر است کارایی بیشتری دارند و هم جریان های برگشتی در پشت آبشکن حذف و هم تمرکز تنش های برشی در دماغه کاهش یافته و احتمال آبشستگی هنگامیکه بستر رودخانه متحرک باشد کاهش می یابد.

کانال های مرکب مقاطع هیدرولیکی می باشند که از دو بخش اصلی، کانال اصلی و سیلابدشت تشکیل یافته اند. مقطع مرکب، مقطع هیدرولیکی بسیاری از رودخانه ها می باشد. بیشتر رود خانه های طبیعی یک منطقه سیل گیر دارند که به صورت جانبی به طرف خارج کانال اصلی، در یک شیب ملایم یا تخت گسترده می شود. وقتی سیل اتفاق می افتد جریان سریع در کانال اصلی به وسیله جریان آرام تر در سیلابدشت کند می شود که به موجب آن یک تغییر مومنتوم جانبی بزرگ به وجود می آید. مهمترین جنبه اختلاف کانال های مرکب با کانال های منظم معمولی در زمینه های کاربردی و طرح های مهندسی رودخانه، افت دبی و کاهش ظرفیت انتقال این مقاطع نسبت به مقاطع منظم می باشد. در تحقیق حاضر جهت رسیدن به درک روشنی از فیزیک حاکم بر میدان جریان عبوری از کانال مرکب با استفاده از نرم افزار فلوئنت نسخه 26/03/ 6 و مدل آشفتگی rsm، میدان جریان در مسیر مستقیم شبیه سازی عددی و با استفاده از مطالعات آزمایشگاهی انجام شده توسط تومیناگا و نزو نتایج حاصل از حل عددی صحت سنجی شده است. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج آزمایشگاهی نشان دهنده قابلیت مدل عددی در شبیه سازی الگوی سه بعدی جریان از کانال مرکب می باشد. در ادامه، خصوصیات جریان مانند خطوط هم سرعت، توزیع تنش برشی، توزیع بردار های سرعت، روند تغییرات جریان ثانویه و تغییر پارامتر های هندسی و هیدرولیکی مانند طول و ارتفاع زبری در سیلابدشت کانال مرکب و عدد فرود بالا دست بر الگوی جریان مورد بررسی و تحلیل دقیق قرار گرفت. در آخر این تحقیق هم میدان جریان شوری در کانال مرکب شبیه سازی شد.

در دهه اخیر شبیه سازی های عددی نقش مهمی در پیشبرد پژوهش های کاربردی در بسیاری از زمینه ها به خصوص بخش آب و مهندسی رودخانه وسازه های رودخانه ای داشته است. مخصوصا اینکه این روش ها صرفه جویی زیادی ازلحاظ اقتصادی و زمانی نسبت به روش های آزمایشگاهی دارند وهمچنین نتایج حاصله در این روش ها با واقعیت اختلاف کمی دارند. یکی از مسائل مهمی که نظرپژوهشگران را به خود جلب کرده است حفظ حریم رودخانه هاست، و می دانیم که تشکیل جریان های ثانویه در مسیرهای مستقیم مخصوصا قوس ها باعث حمله شدید به بستر،وکناره ی رودخانه ها و کانال ها می شود. حال برای جلوگیری ازاین پدیده، یکی ازروش ها استفاده از صفحات مستغرق می باشد که با کارگذاری این صفحات، می توان اثرات جریانهای ثانویه را خنثی کرد و در نتیجه آسیب های وارده را از بین می برد. اما مطالعات انجام شده بر روی صفحات مستغرق بیشتردرمسیرهای مستقیم انجام شده، درحالیکه کاربرد صفحات مستغرق بیشتر در مسیرهای قوسی ضروری است درنتیجه باید تحقیقات بیشتری درنحوه قرار گیری صفحات درمسیرهای قوسی انجام شود تا ابهاماتی که دراین زمینه وجود دارد پاسخ داده شود.پس می توان تحقیقات بسیار زیادی دراین زمینه ازلحاظ آزمایشگاهی،تئوریک وعددی روی این صفحات از لحاظ تعداد صفحات و زوایای مختلف صفحات نسبت به جهت جریان انجام داد. هدف از تحقیق حاضر ابتدا مطالعاتی روی کارهای آزمایشگاهی وتئوریک گذشته گان که در زمینه قوس و صفحات مستغرق انجام شده وسپس در جهت نو آوری هدف اصلی بررسی عددی اثرات صفحات مستغرق بر الگوی جریان در کانال با قوس 90 درجه می باشد که تا کنون مورد بررسی عددی وشبیه سازی قرار نگرفته است . سعی بر آن است که با استفاده از نرم افزارهای قدرتمند شبیه سازی جریان هیدرولیکی این مهم صورت بپذیرد .