رساله حاضر، به ارائه چارچوب توسعه یک روش عددی بر مبنای گسسته سازی حجم محدود معادلات حاکم، به منظور ارزیابی عملکرد هیدرودینامیکی سازه های ساحلی و فراساحلی صلب ثابت یا متحرک، در جریان آرام گذرای تک فازی یا دوفازی سیالات لزج و تراکم ناپذیر، در فضای دو بعدی پرداخته است. با انتخاب چیدمان هم مکان برای حفظ متغیرها در میدان حل، یک روش گام جزئی در حل میدان سرعت و فشار مورد استفاده قرار گرفته است. به علاوه، یک روش حجمی بر مبنای محاسبه نسبت حجمی سیال، برای شبیه سازی سطح آزاد در نظر گرفته شده است. به منظور گسسته سازی دامنه محاسباتی نیز، از رویکرد شبکه های روی هم - شامل یک شبکه زمینه ثابت غیریکنواخت کارتزین و یک یا چند شبکه روافتاده از سلول های چهار وجهی با قابلیت حرکت - استفاده شده است. لازم به ذکر است، در شرایطی که سازه دارای حرکات آزاد بوده و از جریان اطراف خود اثر بپذیرد، نیاز به محاسبه حرکات خطی و زاویه ای آن نیز مطرح شده و این کار، با حل معادلات تغییر اندازه حرکت خطی و زاویه ای جسم صلب انجام می شود. به منظور ارزیابی روش عددی پیشنهاد شده - علیرغم آنکه سعی گردیده است تا اصول روش عددی در فضای سه بعدی بیان شود - یک کُد در فضای دوبعدی توسعه یافته و مطالعات موردی انجام شده است. این مسائل شامل انتقال میدان اسکالر در جریان برشی معلوم، جریان حفره، جریان نامتقارن حول استوانه در کانال، موج آیری، موجساز گوه ای، سقوط آزاد استوانه به درون آب و در نهایت، حرکات سازه شناور در مقابل موج ساخته شده با موجساز پاروئی، می باشند. مسائل به گونه ای انتخاب شده اند که امکان ارزیابی صحت، دقت و بررسی توانایی روش عددی به طور کامل فراهم آیند. شبیه سازی جریان دوفازی در حضور شبکه های روی هم و با استفاده از حل عددی معادله انتقال نسبت حجمی و بدون استفاده از روش های بازسازی سطح، از نوآوری های رساله حاضر می باشد. همچنین، استفاده از یک میانیابی غیربقائی در انتقال تمامی متغیرهای میدان جریان دوفازی مذکور، که در عین سادگی پیاده سازی، حساسیت در تشابه کیفیت سلول های محاسباتی مجاور هم در شبکه های مختلف را کاهش داده است، از دیگر نوآوری ها می باشد. برای گسسته سازی جمله گرادیان فشار و نیز تقریب فشار در حین انتقال در میان شبکه ها در جریان دوفازی، یک میانیابی وزنی جدید پیشنهاد گردیده که با ساده سازی انجام شده در شبیه سازی سطح آزاد در تطابق است. معرفی روشی به منظور یافتن سلول میزبان یک نقطه در فضای محاسباتی - که سرعت حل را در مقایسه با روش های موجود افزایش می دهد - از دیگر نکات برجسته رساله حاضر است. همچنین، با توجه به عدم وجود ملاحظه خاص در ارائه اساس روش عددی، توسعه پایدار الگوریتم به فضای سه بعدی امکان پذیر خواهد بود. بر این اساس، فلوم موج عددی توسعه یافته است که علاوه بر امکان پیاده سازی انواع موجسازهای گوه ای، پاروئی و پیستونی، حرکات سه درجه آزادی و بزرگ یک سازه شناور را در مقابل امواج ثبت نموده و امکان بررسی حرکات نسبی چند سازه را نیز، دارد.

در این رساله به مطالعه عددی تعیین شرایط بهینه آبگیری جانبی از قوس با بررسی همزمان اثر پارامترهای هندسی و هیدرولیکی آبراهه اصلی و آبگیر در هندسه¬های نزدیک به شرایط طبیعی پرداخته شد. پس از تعیین شرایط بهینه آبگیری از قوس، ابعاد و آرایش صفحات مستغرق در کانال مستقیم بهینه شده و سپس تأثیر کاربرد آن¬ها بر عملکرد آبگیری جانبی از قوس بررسی شد. مدل عددی مورد استفاده در این رساله، مدل سه بعدی ssiim نسخه¬های 1 و 2 است. با توجه به دقت قابل قبول مدل عددی در پیش¬بینی جریان و انتقال بار معلق در آبگیری از قوس و نیز پیش¬بینی توپوگرافی بستر حول صفحه مستغرق در مسیر مستقیم، در تعیین شرایط مناسب آبگیری از قوس، روش تزریق رسوب به همراه جریان روی بستر صلب آبراهه اصلی به کار رفت و در تعیین ابعاد و آرایش بهینه صفحات مستغرق مدلسازی روی بستر آبرفتی انجام شد. در تعیین شرایط مناسب آبگیری جانبی از قوس، بدون استفاده از سازه¬های کنترل رسوب، تأثیر هر یک از پارامترهای bi/bm (عرض آبگیر به عرض آبراهه اصلی)، ci/θcθ (موقعیت آبگیر نسبت به زاویه مرکزی قوس)، iα (زاویه آبگیری)، hs/hm (ارتفاع آستانه به عمق جریان)، qwr (نسبت دبی آبگیری)، θc (زاویه مرکزی قوس) و fr (عدد فرود) در سه سطح تغییر بررسی شد. 243 مطالعه با روش تاگوچی طراحی شد. در مدلسازی سعی شد از شرایط هندسی و هیدرولیکی رودخانه کرخه استفاده شود. پس از تحلیل نتایج با استفاده از روش gra، نسبتهای بهینه 0/28= hs/hm، ◦70= α، 0/55= θci/θc و 0/55=bi/bm که دارای بیشترین ضریب پادرسوبی (یک منهای رسوب نسبی وارد شده نسبت به جریان نسبی وارد شده به آبگیر) و بیشترین حجم رسوب ته¬نشین شده در آبگیر نسبت به رسوب وارد شده به آبگیر باشد، معرفی شد. برای بهینه¬سازی ابعاد یک صفحه مستغرق و تعیین آرایش گروه صفحات مستغرق، تغییرات توپوگرافی بستر حول یک صفحه مستغرق شبیه¬سازی شد. پارامترهای هندسی طول صفحه (l)، ارتفاع صفحه (h) و زاویه برخورد جریان با صفحه (αv) هریک در چهار سطح در نظر گرفته شدند. نتایج نشان داد در صورتی که کنترل آبشستگی موضعی پای صفحه مستغرق مد نظر قرار گیرد، نسبت¬های 0/25=h/d (d: عمق جریان)، ◦15=α و 1/25=l/h بهینه است. به منظور بررسی تأثیر صفحات مستغرق بر عملکرد آبگیری جانبی از قوس، دو طرح مختلف برای صفحات مستغرق استفاده شد. در طرح 1 دو ردیف صفحه مستغرق در بالادست آبگیر و در طرح 2 چهار ردیف صفحه مستغرق در بالادست آبگیر و مقابل دهانه آبگیر نصب شد. بررسی ضریب پادرسوبی آبگیر نشان داد در حالتی که 0/35=>bi/bm، با تغییر سطوح پارامترهای θci/θc، iα و hs/hm، حضور صفحات مستغرق طرح 1 در بالادست آبگیر به طور متوسط منجر به افزایش 59 درصدی ضریب پادرسوبی آبگیر و کاهش 15 درصدی مقدار رسوب وارد شده به آبگیر شده است. این در حالیست که با تغییر سطوح پارامترهای bi/bm، θci/θc، iα و hs/hm، حضور صفحات مستغرق طرح 2 به طور متوسط منجر به افزایش 148 درصدی ضریب پادرسوبی آبگیر و کاهش 46 درصدی مقدار رسوب وارد شده به آبگیر شده است.

در این تحقیق ابتدا با استفاده از تکنیک تصویربرداری از ذرات ( piv) به اندازه گیری سرعت جریان آشفته بر روی بستر زبر در یک کانال باز پرداخته شده و سپس با شبیه سازی این شرایط در نرم افزار فلوئنت و مقایسه آن با نتایج سرعت بدست آمده از سیستم piv، مشخصه های جریان شامل شدت آشفتگی و تنش های رینولدز برای چهار شرایط هیدرولیکی مختلف جریان اندازه گیری و با معادلات تجربی ارائه شده توسط نزو و دیگر محققین مقایسه شده است. در ادامه برای بررسی خصوصیات جهش ذره رسوبی در یک جریان آشفته با مشخص بودن مقدار تنش برشی بستر، از سیستم تصویربرداری با سرعت بالا استفاده شده و مشخصه های جهش شامل طول، ارتفاع، سرعت، چرخش و زوایای برخورد به بستر و بلندشدگی برای شرایط هیدرولیکی مختلف با سرعت 250 فریم بر ثانیه اندازه گیری شده و درباره ارتباط آنها با خصوصیات جریان به طور کیفی بحث شده است. نتایج این تحقیق نشان می دهد که با افزایش آشفتگی بر طول، ارتفاع و سرعت ذره افزوده و برعکس از زوایای برخورد به بستر و بلندشدگی مجدد آن کاسته می گردد. چرخش تک ذره نیز در طول یک گام جهش روند نزولی را طی خواهد نمود. نتایج آزمایشات همچنین حاکی از این امر است که با افزایش قطر متوسط ذرات بستر، تمامی خصوصیات جهش تمایل به افزایش دارند. برای حل عددی معادلات حاکم بر ذره و بدست آوردن مسیر حرکت آن در یک گام جهش، سرعت های اولیه جهش در هر دو جهت افقی و قائم محاسبه شده است که از آنها می توان به عنوان شرایط اولیه در حل عددی استفاده نمود. مولفه افقی سرعت ذره رسوبی در دامنه 3 تا 8 برابر سرعت برشی و مولفه قائم آن در دامنه 1/5 تا 3/5 برابر سرعت برشی قرار داشته است که این مقادیر با مقادیر فرض شده توسط فن راین (2u* ) متفاوت می باشد. در خاتمه، بحث احتمالاتی بودن خصوصیات جهش بیان شده و با انجام چندین آزمایش نشان داده شده است که برای قطر و چگالی یکسان ذره رسوبی، طول و ارتفاع جهش از توزیع پیرسون نوع سه و سرعت ذره از توزیع نرمال پیروی خواهند نمود.