دانشکده مهندسی آب و خاک

پایان ­نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد در رشته

 سازه ­های آبی

عنوان:

مدل‌سازی عددی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پایین‌دست جریان ترکیبی همزمان از روی سرریز و زیر دریچه با استفاده از نرم‌افزار Flow3D

استاد راهنما:

دکتر امیراحمد دهقانی

اساتید مشاور:

دکتر مهدی کاهه

دکتر عبدالرضا ظهیری

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

فصل اول: مقدمه

1-1 مقدمه……………………………………………………………………………………………… 2

1-2 تعاریف……………………………………………………………………………………………… 3

1-2-1 سرریزها………………………………………………………………………………………….. 3

1-2-2 دریچه­ ها……………………………………………………………………………………….. 3

1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچه…………………………………………………………. 4

1-2-4 آبشستگی………………………………………………………………………………… 6

1-3 ضرورت انجام تحقیق……………………………………………………………………………. 9

1-4 اهداف تحقیق…………………………………………………………………………………. 9

1- 5 ساختار کلی پایان­نامه………………………………………………………………………. 10

 فصل دوم: بررسی منابع

2-1 مقدمه…………………………………………………………………………………………. 12

2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان………………………………………………………………. 12

2-2 مطالعات عددی با نرم­افزار Flow3D…………………………………………………………….

 فصل سوم: مواد و روش­ها

3-1 مقدمه………………………………………………………………………………………. 22

3-2 نحوه انجام آزمایشات……………………………………………………………………….. 22

3-2-1 مخزن…………………………………………………………………………………… 23

3-2-2 پمپ……………………………………………………………………………………… 23

3-2-3 کانال آزمایشگاهی……………………………………………………………………….. 23

3-2-4 مخزن آرام کننده جریان……………………………………………………………………. 24

3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز – دریچه………………………………………………………. 24

3-3 آنالیز ابعادی…………………………………………………………………………………. 25

3-4 شبیه­سازی عددی………………………………………………………………………… 27

3-4-1 معرفی نرم­افزار Flow3D…………………………………………………………………..

3-4-2 معادلات حاکم………………………………………………………………………….. 32

3-4-3 مدل­های آشفتگی…………………………………………………………………….. 33

3-4-3-1 مدل­های صفر معادله­ای………………………………………………………. 35

3 -4-3-2 مدل­های یک معادله­ای……………………………………………………….. 35

3-4-3-3 مدل­های دو معادله­ای………………………………………………………….. 36

3-4-3-4 مدل­های دارای معادله تنش………………………………………………………. 36

3-4-4 شبیه­سازی عددی مدل……………………………………………………………. 37

3-4-4-1 ترسیم هندسه مدل……………………………………………………………. 38

3-4-4-2 شبکه بندی حل معادلات جریان…………………………………………………. 38

3-4-4-3 شرایط مرزی کانال……………………………………………………………… 40

3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدل……………………………………………………. 41

3-4-4- 5 شرایط اولیه جریان……………………………………………………………… 43

3-4-4-6 زمان اجرای مدل……………………………………………………………….. 43

فصل چهارم: نتایج و بحث

4-1 مقدمه………………………………………………………………………………. 46

4-2 شبیه­سازی هیدرولیک جریان در حالت کف صلب………………………………… 46

4-2-1 واسنجی نرم­افزار……………………………………………………………….. 46

4-2-1-1 ارزیابی نرم­افزارپ…………………………………………………………….. 48

4-2-1-2 بررسی تأثیر انقباض جانبی سازه ترکیبی سرریز – دریچه بر هیدرولیک جریان….. 54

4-3 شبیه­سازی آبشستگی پایین­دست جریان…………………………………………. 59

4-3-1 واسنجی نرم­افزار……………………………………………………………………. 59

4-3-1-1 ارزیابی نتایج نرم­افزار………………………………………………………………… 61

 فصل پنجم: پیشنهادها

5-1 مقدمه……………………………………………………………………………………….. 70

5-2 نتیجه­گیری…………………………………………………………………………………… 70

5-3 پیشنهادها…………………………………………………………………………………. 71

منابع…………………………………………………………………………………………… 74

چکیده:

در سازه‌های ترکیبی سرریز­-­ دریچه، تداخل جریان از زیر دریچه و روی سرریز باعث اختلاط شدید در جریان و تغییر در توزیع تنش‌های برشی کف می‌شود. از این‌رو شبیه‌سازی عددی الگوی جریان عبوری از این سازه‌ها بسیار پیچیده است. هدف اصلی از این تحقیق، شبیه‌سازی عددی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پایین­دست جریان ترکیبی همزمان از روی سرریز و زیر دریچه با استفاده از نرم­افزار Flow3D  است. نرم­افزارFlow3D  یک نرم­افزار قوی در زمینه دینامیک سیالات محاسباتی است که برای حل مسائل با هندسه پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مدل برای شبیه سازی جریان­های سطح آزاد سه­بعدی غیر ماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. در این تحقیق مدل­سازی در حالت کف صلب و کف متحرک انجام شد و برای واسنجی و صحت­سنجی این نرم­افزار به منظور تخمین پارامترهای جریان در سازه­های ترکیبی، از نتایج آزمایشگاهی صورت گرفته در این تحقیق استفاده شد. به منظور شبیه­سازی پروفیل سطح آب از روش VOF استفاده شد. همچنین برای شبیه­سازی آبشستگی جریان از مدل­های مختلف آشفتگی مانند RNG k-ɛ، k-ɛ و LES بهره گرفته شد. پس از اطمینان از دقت مدل و با   انتگرال­گیری­های پروفیل­های سرعت روی سرریز و زیر دریچه، میزان دبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه تعیین شد. سپس با انجام آنالیز ابعادی، نسبت دبی عبوی از روی سرریز به زیر دریچه، تابعی از عدد فرود (Fr)، نسبت عمق بالادست سازه به بازشدگی زیر دریچه () و هد آب روی سرریز به طول سازه () گردید. مقایسه نتایج مدل­سازی در حالت کف متحرک با نتایج آزمایشگاهی نشان می­دهد که مدل از قابلیت بالایی جهت شبیه­سازی الگو و میزان آبشستگی برخوردار است.

فصل اول: مقدمه

1-1- مقدمه

یکی از عمده‌ترین مشکلات سازه‌هایی از قبیل سرریزها، دریچه‌ها و حوضچه‌های آرامش که در بالادست بسترهای فرسایش‌پذیر قرار دارند، آبشستگی در مجاورت سازه است که علاوه­‌بر تأثیر مستقیم بر پایداری سازه، ممکن است باعث تغییر مشخصات جریان و در نتیجه تغییر در پارامترهای طراحی سازه شود. به دلیل پیچیدگی موضوع، اکثر محققین آن را به صورت آزمایشگاهی بررسی کرده­اند که با وجود تمام دست­آوردهای مهمی که تاکنون در زمینه آبشستگی موضعی حاصل گردیده است، هنوز هم شواهد زیادی از آبشستگی گسترده در پایاب دریچه‌ها، سرریزها، شیب‌شکن‌ها، کالورت‌ها و مجاورت پایه‌های پل دیده می‌شود که می‌تواند پایداری این سازه­ها را با خطرات جدی مواجه کند.

پدیده آبشستگی زمانی اتفاق می‌افتد که تنش برشی جریان آب عبوری از آبراهه، از میزان بحرانی شروع حرکت ذرات بستر بیشتر شود. تحقیقات نشان داده است که عوامل بسیار زیادی بر آبشستگی در پایین‌دست سازه تأثیرگذار هستند که از جمله آن­ها می‌توان به اندازه و دانه‌بندی رسوبات، عمق پایاب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و … اشاره کرد (کوتی و ین[1] (1976)، بالاچاندار[2] و همکاران (2000)، کلز[3] و همکاران (2001)، لیم و یو[4] (2002)، فروک[5] و همکاران (2006)، دی و سارکار[6] (2006) و ساراتی[7] و همکاران (2008)).

دریچه­ ها و سرریزها به طور گسترده به منظور کنترل، تنظیم جریان و تثبیت کف، در کانال­های باز مورد استفاده قرار می­گیرند. بر اثر جریان ناشی از جت عبوری از رو یا زیر سازه­ها، امکان ایجاد حفره آبشستگی در پایین­دست سازه­ها وجود دارد که ممکن است پایداری سازه را به خطر اندازد؛ بنابراین تعیین مشخصات حفره آبشستگی مورد توجه محققین هیدرولیک جریان قرار گرفته است.

به منظور افزایش بهره‌وری از سازه­های پرکاربرد سرریزها و دریچه­ها، می‌توان آن­ها را با هم ترکیب نمود به‌طوری‌که در یک زمان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. با ترکیب سرریز و دریچه می‌توان دو مشکل عمده و اساسی رسوب‌گذاری در پشت سرریزها و تجمع رسوب و مواد زائد در پشت دریچه‌ها را رفع نمود. در سازه ترکیبی سرریز- دریچه، شرایط هیدرولیکی جدیدی حاکم خواهد شد که با شرایط هیدرولیکی هر کدام از این دو سازه به‌تنهایی متفاوت است.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.