فهرست مطالب عنوان صفحهفصل اول: مقدمه و تئوری 1-1- مقدمه 21-2- معادلات پایه 41-3- تئوری لایه مرزی 81-3-1- ضخامت لایه مرزی 101-3-1-1-طبقه بندی علمی 101-3-1-2-طبقه بندی مهندسی 121-4-توزیع تنش 161-5-تئوری تحقیق 171-6-ساختار پایان نامه 19فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته 2-1- مقدمه 222-2- روشهای مختلف اندازه گیری تنش برشی 22-2-1- روش مستقیم 232-2-2- روش غیر مستقیم 282-2-2-1- روش مقاومت در برابر جریان 282-2-2-2- اندازه گيري پروفيل سرعت 292-2-2-3- استفاده از تنش رينولدز 302-2-2-4- روش انرژي متلاطم 302-2-2-5- روش لوله پرستون 312-2-2-6- روش مانع سطحي 322-2-2-7- روش نيم كره FST 332-2-2-8- روش قانون تنش مرتبه دوم 342-2-2-9- روش كاهش سرعت جريان 342-2-2-10- روش تبادل گرما 352-2-2-11- روش تغيير و انحلال مايع 362-2-2-12- روش قطب سنجي 372-3-بررسی گزارش های علمی در خصوص تعیین تنش برشی در مجاری روباز2-3-1-مطالعات انیشتین 382-3-2-مطالعات لین 392-3-3-مطالعات پرستون 402-3-4-مطالعات ونوني و بروكس 412-3-5-مطالعات آیپن و درنکر 412-3-6-مطالعات پاتل 422-3-7-مطالعات رسته مهندسین ارتش آمریکا 442-3-8-مطالعات ويليامز 452-3-9-مطالعات كارتا و لدسر 452-3-10-مطالعات برترالد 462-3-11-مطالعات نايت و همكاران 462-3-12-مطالعات نایت و پاتل 472-3-13-مطالعات کساب 482-3-14-مطالعات ردز و نایت 492-3-15-مطالعات بچرت 502-3-16-مطالعات زاگارولا و اسمیت 502-3-17-مطالعات وو و راجاراتنام 502-3-18-مطالعات ردز و نیو 512-3-19-مطالعات پراسد و منسن 512-3-20-مطالعات برلامنت و همکاران 522-3-21-کریشنپن و انگل 522-3-22-مطالعات بایرون و همکاران 532-3-23-مطالعات يانگ و ليم 542-3-24-مطالعات جئو و جولين 562-3-25-مطالعات لیم و یانگ 572-3-26-مطالعات چنگ و چو 592-3-27-مطالعات پاپ و همکاران 602-3-28-مطالعات تامسون و همکاران 612-3-29 مطالعات لشکرآرا و همکاران 612-3-30 مطالعات جاعل و همکاران 622-4-بررسی گزارش های علمی در خصوص تعیین تنش برشی در مجاری مرکب 622-4-1- مطالعات نایت و حامد 642-4-2- مطالعات الخطیب و همکاران 652-4-3- مطالعات پاترا و کار 662-4-4- مطالعات هلمیو 672-4-5- مطالعات افضلی مهر و همکاران 672-4-6- مطالعات خاتوا و پاترا 672-4-7- مطالعات رامشواران و همکاران 692-4-8- مطالعات یو و تان 702-4-9- مطالعات مک ویلیامز و همکاران 702-4-10- مطالعات پلیتر و همکاران 702-4-11- مطالعات کاکورای و همکاران 712-4-12- مطالعات بیلگیل 712-4-13- مطالعات ورماس و همکاران 722-4-14- مطالعات موهانتی و همکاران 73فصل سوم: مواد و روشها3-1- مقدمه 753-2- مدل فيزيکي مورد نیاز و انجام آزمایشات 753-2-1- فلوم آزمایشگاهی و سیستم ورود و خروج جریان 753-2-1-1- ساخت و نصب فلوم لبه چاقويي 783-3- تجهيزات اندازهگيري 833-3-1-اندازه گيري سرعت جريان 833-3- 2- اندازه گیری تنش برشی 833-3-2-1 لوله پرستون 833-3-2-2- فلوم لبه چاقویی 853-3-3-وسایل اندازه گیری فشار 853-3-3-1-اندازه گيري فشار ديناميك 853-3-3-2-اندازهگيري فشار استاتیک 873-3-4 اندازهگیری دبی، تراز سطح آب و دمای آب 883-3-4-1 اندازهگیری دبی 883-3-4-2 اندازهگيري تراز سطح آب 883-3-4-3 اندازهگیری دمای آب 893-3-5 اندازهگیری نیرو 893-3-5-1 اندازهگيري بار ديناميك 893-4 آنالیز ابعادی 913-4-1 آناليز ابعادي تنش برشي جداره و كف در مجاري مستطيليمرکب 923-5 ایجاد زبری به منظور بررسی نحوه توزیع تنش برشی مرزی 953-5-1 توضیح در خصوص استفاده از سنباده در آزمایشات 973-6 تشریح کلی هر سری از آزمایشات 98فصل چهارم: نتایج و بحث4-1- مقدمه 1024-2 تنش برشی مرزی در بستر صاف 1054-2-1-اندازه گیری تنش برشی مرزی در بستر صاف به روش انرژی 1054-2-1-1 صحت سنجی نتایج 1084-2-1-2- مقایسه توزیع تنش مرزی تحقیق حاضر با محققین قبلی 1184-2-1-3 مقایسه نتایج حاصل از روش انرژی و مومنتوم برای بستر صاف 1204-3 تنش برشی در بستر زبر 1224-3-1 اندازه گیری تنش برشی در بستر با زبری 1 میلیمتر 1234-3-2 مقایسه نتایج حاصل از روش انرژی و مومنتوم برای بستر با زبری 1 میلیمتر 1254-3-3 مقایسه نتایج حاصل از تنش برشی در بستر صاف و زبری بستر 1 میلیمتر به روش انرژی 1304-3-4 مقایسه نتایج حاصل از تنش برشی در بستر صاف و زبری بستر 1 میلیمتر به روش ومنتوم1334-4 اندازه گیری تنش برشی در بستر با زبری های 55/3 و 15/7 میلیمتر 1354-5 مقایسه نتایج حاصل از محاسبه تنش برشی در بسترهای مختلف به روش انرژی 1364-6 مقایسه نتایج حاصل از محاسبه تنش برشی در بسترهای مختلف به روش مومنتوم 1384-7 بحث و نتیجه گیری 1404-8- نوآوری 146فصل پنجم: پیشنهادات5-1 مقدمه 1495-2 پیشنهادات 150منابع 153ضمیمه 1: جداول مقادیر پارامترهای مختلف هر یک از بسترها در هر یک از کلاسهای آزمایشیضمیمه 2: نمودارهای مربوط به بستر با زبری های 55/3 و 15/7 میلیمتر فهرست مطالب عنوان صفحهفصل اول: مقدمه و تئوری شكل(1-1) پروفیل سرعت در جریان آشفته و منحنی تنش 3شکل (1-2) نیروهای موثر بر منشور سیال 5شكل (1-3) تبديل لايه مرزي آرام به متلاطم 9شكل (1-4) نواحي موجود در جريان از ديد تأثير ديوار و بستر بر ساختار جريان(انيشتين،1942) 10شكل (1-5) طبقه بندي علمي ناحيه هاي جريان 12شكل (1-6) طبقه بندي مهندسي براي نواحي جريان 13شكل (1-7) توزيع تنش برشي در مقطع كانال(لین، 1953) 14شكل(1-8) حداكثر نيروي كشش ايجاد شده روي بدنه و بستر كانال 15شكل(1-9) نسبت حداكثر تنش برشي ايجاد شده به در كف و بدنه كانال براي حالت خاص 15شكل (1-10) نحوه اثر جریانهای ثانویه بر توزیع تنش برشی جداره و کف در یک مجرای روباز مستقیم 16فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشتهشكل(2-1) انواع نيروهاي وارد بر المان شناور 24شكل(2-2) ساختار المان شناور سطحي استفاده شده توسط براون و چوبرت(1969) براي اندازه گيري تنش برشي 26شكل(2-3) وسيله مورد استفاده توسط فري و تامن 27شكل(2-4) لوله استنتون 33شكل (2-5) ساختار حصار زير لايه 33شکل (2-6) نواحي چند گانه تقسيم شعاع هيدروليكي به روش انیشتين 38شکل(2-7) حداكثر نيروي مالشي در كف و ديواره پیشنهاد شده توسط لین 40شكل(2-8) توزيع تنش برشي در آبراهه منحني ذوزنقه اي 42شکل (2-9)منحني كاليبراسيون ارائه شده توسط پاتل 44شكل(2-10) حداكثر تنش برشي بستر در انحنای آبراهه 45شكل(2-11) منحني كاليبراسيون ارائه شده توسط کساب جهت تعیین سرعت برشی در روش لوله پرستون 49شکل(2-12) توزيع تنش برشي به عنوان تابعي از سرعت زاویه‌ای فلوم 53شکل(2-13) نمادهای مورد استفاده در معادله یانگ و لیم 56شكل (2-14) لوله های دایره ای با بستر صاف 59شكل(2-15) ساختار آنولار فلوم 60شکل (2-16) گردابه های بزرگ ایجاد شده در ناحیه انتقالی در کانال مرکب مستطیلی 63شکل (2-17) ساختار منسجم گردابههای بزرگ در لایه اختلاط با استفاده از تزریق رنگ در کانالهای مرکب 64شکل (2-18) نتایج تحقیقات نایت و دمیتریوس بر روی کانال مرکب مستطیلی 68شکل(2-19) مقایسه نتایج خاتوا و پاترا با نتایج پاترا و کار 69فصل سوم: مواد و روشهاشکل (3-1) نمای شماتیک و پلان فلوم آزمایشگاهی 76شکل(3-2) نمای جانبی از فلوم به همراه تجهیزات ورودی و خروجی جریان 78شکل(3-3) نمایی از بخش متحرک فلوم (بخش لبه چاقویی) 79شکل(3-4) نمایی از حسگر بار دینامیک 79شکل (3-5) نمای شماتیک مقطع حالت اول 80شکل (3-6) نمای شماتیک مقطع حالت دوم 81شکل (3-7) نمای شماتیک مقطع حالت سوم 81شکل (3-8) انجام آزمایشات در بستر زبر 82شکل(3-9) نمای شماتیک لوله پرستون 84شکل(3-10) نحوه قرارگیری لوله پرستون در کانال 84شکل(3-11) سيستم مبدل اندازهگيري نوسانات فشار 86شکل(3-12) سيستم فشارسنج تفاضلی 87شکل (3-13) ارتفاع سنج سوزنی دیجیتال 89شکل (3-14) نمایی از حسگر بار دینامیک و نشانگر الکتریکی متصل به آن 91شكل (3-15) نمای شماتیک مقطع مرکب 95شکل (3-16) رسوبات چسبانده شده بر روی فلوم 97شکل (3-17) نمونه مصالح آماده شده جهت انجام آزمایشات 98فصل چهارم: نتایج و بحثشکل (4-1) تقسیم بندی کانال مرکب مستطیلی به اجزاء تشکیل دهنده آن 104شکل (4-2) تغییرات تنش برشی در برابر عمق نسبی برای کف دشت سیلابی در بستر صاف 109شکل (4-3) تغییرات تنش برشی در برابر نسبت شکل برای کف دشت سیلابی در بستر صاف 109شکل (4-4) تغییرات تنش برشی در برابر عمق نسبی برای کانال اصلی در بستر صاف 110شکل (4-5) تغییرات تنش برشی در برابر نسبت شکل برای کانال اصلی در بستر صاف 110شکل (4-6) تغییرات تنش برشی در برابر عمق نسبی برای دیواره دشت سیلابی در بستر صاف 111شکل (4-7) تغییرات تنش برشی در برابر نسبت شکل برای دیواره دشت سیلابی در بستر صاف 111شکل (4-8) تغییرات تنش برشی در برابر عمق نسبی برای دیواره کانال اصلی در بستر صاف 112شکل (4-9) تغییرات تنش برشی در برابر نسبت شکل برای دیواره کانال اصلی در بستر صاف 112شکل (4-10) تغییرات تنش برشی در برابر عمق نسبی برای کل بخش سیلابی در بستر صاف 113شکل (4-11) تغییرات تنش برشی در برابر نسبت شکل برای کل بخش سیلابی در بستر صاف 113شکل (4-12) تغییرات تنش برشی در برابر عمق نسبی برای کل کانال اصلی در بستر صاف 114شکل (4-13) تغییرات تنش برشی در برابر نسبت شکل برای کل کانال اصلی در بستر صاف 114شکل (4-14) تغییرات درصد تنش برشی بخش میانی مجازی در برابر نسبت شکل در بستر صاف115شکل (4-15) تغییرات درصد تنش برشی بخش میانی مجازی در برابر نسبت عمق در بستر صاف 115شکل (4-16) تغییرات نسبت تنش در کف دشت سیلابی به تنش کل در برابر نسبت شکل در بستر صاف 116شکل (4-17) تغییرات نسبت تنش در دیواره دشت سیلابی به تنش کل در برابر نسبت شکل در بستر صاف 117شکل (4-18) تغییرات نسبت تنش در دیواره کانال اصلی به تنش کل در برابر نسبت شکل در بستر صاف 117شکل (4-19) تغییرات نسبت تنش در کف کانال اصلی به تنش کل در برابر نسبت شکل در بستر صاف 118شکل (4-20) مقایسه نتایج تحقیق حاضر با نتایج نایت و دمیتریوس 119شکل (4-21) مقایسه نتایج تحقیق حاضر با نتایج خاتوا و پاترا 119شکل(4-22) مقایسه روش مومنتم با روش پرستون برای کلاس 1 در بستر صاف 120شکل(4-23) مقایسه روش مومنتم با روش پرستون برای کلاس 2 در بستر صاف 121شکل(4-24) مقایسه روش مومنتم با روش پرستون برای کلاس 3 در بستر صاف 121شکل (4-25) تغییرات تنش برشی در برابر عمق نسبی برای کف دشت سیلابی در بستر با زبری 1 میلیمتر 124شکل (4-26) تغییرات تنش برشی در برابر نسبت شکل برای کف دشت سیلابی در بستر با زبری 1 میلیمتر 124شکل (4-27) تغییرات تنش برشی در برابر عمق نسبی برای کانال اصلی در بستر با زبری 1 میلیمتر 125شکل (4-28) تغییرات تنش برشی در برابر نسبت شکل برای کانال اصلی در بستر با زبری 1 میلیمتر 125شکل(4-29) مقایسه روش مومنتم با روش پرستون برای کلاس 1 در بستر با زبری 1 میلیمتر 126شکل(4-30) مقایسه روش مومنتم با روش پرستون برای کلاس 2 در بستر با زبری 1 میلیمتر 126شکل(4-31) مقایسه روش مومنتم با روش پرستون برای کلاس 3 در بستر با زبری 1 میلیمتر 127شکل (4-32) تغییرات نسبت تنش در کف دشت سیلابی به تنش کل در برابر نسبت شکل در بستر با زبری 1 میلیمتر 128شکل (4-33) تغییرات نسبت تنش در دیواره دشت سیلابی به تنش کل در برابر نسبت شکل در بستر با زبری 1 میلیمتر 128شکل (4-34) تغییرات نسبت تنش در کف کانال اصلی به تنش کل در برابر نسبت شکل در بستر بازبری 1 میلیمتر 129شکل (4-35) تغییرات نسبت تنش در دیواره کانال اصلی به تنش کل در برابر نسبت شکل در بستر با زبری 1 میلیمتر 129شکل (4-36) مقایسه تنش برشی در بستر صاف و بستر با زبری 1 میلیمتر در کلاس 1 در برابر عمق 130شکل (4-37) مقایسه تنش برشی در بستر صاف و بستر با زبری 1 میلیمتر در کلاس 2 در برابر عمق 130شکل (4-38) مقایسه تنش برشی در بستر صاف و بستر با زبری 1 میلیمتر در کلاس 3 در برابر عمق 131شکل (4-39) مقایسه تنش برشی به روش انرژی در بستر صاف و بستر با زبری 1 میلیمتر در برابر نسبت شکل در کلاس 1 132شکل (4-40) مقایسه تنش برشی به روش انرژی در بستر صاف و بستر با زبری 1 میلیمتر در برابر نسبت شکلدر کلاس 2 132شکل (4-41) مقایسه تنش برشی به روش انرژی در بستر صاف و بستر با زبری 1 میلیمتر در برابر نسبت شکل درکلاس 3 133شکل (4-42) مقایسه تنش برشی به روش مومنتوم در بستر صاف و بستر با زبری 1 میلیمتر در برابر نسبت شکل درکلاس 1 134شکل (4-43) مقایسه تنش برشی به روش مومنتوم در بستر صاف و بستر با زبری 1 میلیمتر در برابر نسبت شکل درکلاس 2 134شکل (4-44) مقایسه تنش برشی به روش مومنتوم در بستر صاف و بستر با زبری 1 میلیمتر در برابر نسبت شکل درکلاس 3 135شکل (4-45) تغییرات تنش برشی بروش انرژی در برابر نسبت شکل برای کلیه بسترها از نظر زبری مربوط به کلاس 1 136شکل (4-46) تغییرات تنش برشی بروش انرژی در برابر نسبت شکل برای کلیه بسترها از نظر زبری مربوط به کلاس 2 137شکل (4-47) تغییرات تنش برشی بروش انرژی در برابر نسبت شکل برای کلیه بسترها از نظر زبری مربوط به کلاس 3 137شکل (4-48) تغییرات تنش برشی بروش مومنتوم در برابر نسبت شکل برای کلیه بسترها از نظر زبری مربوط به کلاس 1 139شکل (4-49) تغییرات تنش برشی بروش مومنتوم در برابر نسبت شکل برای کلیه بسترها از نظر زبری مربوط به کلاس 2 139شکل (4-50) تغییرات تنش برشی بروش مومنتوم در برابر نسبت شکل برای کلیه بسترها از نظر زبری مربوط به کلاس 3 140 فصل اول مقدمه و تئوری 1-1- مقدمه اطلاعات در خصوص طبیعت توزیع جریان در یک کانال ساده و مرکب نیازمند حل متغیرهای مسائل هیدرولیک رودخانهها و مسائل مهندسی نظیر مفهوم رابطه مقاومت جریان، مکانیسم انتقال رسوب، طراحی کانال پایدار، پوشش کانالها و ... می باشد.تعیین دقیق تنش برشی بستر و دیواره از دیدگاه تئوریک و همچنین از دیدگاه مسائل کاربردی نظیر نقش آن در مطالعات فرسایش و رسوبگذاری و طراحی پوششهای حفاظتی از اهمیت خاصی برخوردار است. کانالهای مرکب شامل یک کانال اصلی عمیق و یک یا دو دشت سیلابی در اطراف آن میباشند که بصورت نسبی عمق کمتری نسبت به کانال اصلی دارند. مطالعات هیدرولیکی بر روی این کانالها به دلیل تاثیر متقابل دشتهای سیلابی و کانال اصلی بمراتب پیچیده تر از کانالهای معمولی است.زمانیکه عمق جریان در یک کانال طبیعی از عمق مجاز کانال تجاوز میکند، دشتهای سیلابی را که در مجاورت آن قرار دارند پوشانیده و بخشی از جریان در دشتهای سیلابی حمل میگردد. بدلیل تفاوت شرایط هیدرولیکی بین دو مقطع (کانال اصلی و دشتهای سیلابی)، سرعت متوسط در کانال اصلی با دشتهای سیلابی متفاوت می گردد (سرعت متوسط در کانال اصلی بسیار بیشتر از سرعت در دشت سیلابی است). بنابراین جریان در کانال اصلی با شتاب بیشتری بر روی دشتهای سیلابی اعمال میگردد. این فرایند باعث انتقال مومنتوم بین جریان در کانال اصلی و دشتهای سیلابی اطراف میگردد. تاثیر متقابل فرایند مذکور وقتی که جریان برروی دشت سیلابی خیلی کم است، نمود بیشتری داشته و رفته رفته با افزایش عمق آب برروی دشت سیلابی، از میزان آن کاسته میشود. عدم استنباط صحیح از این فرایند، باعث میشود که در طراحی کانالهای پایدار میزان دبی واقعی بسیار بیشتر یا بسیار کمتر برآورد گردد.بر طبق مطالعات دفتر مهندسی عمران آمریکا[1]، هنگامیکه آب در کانال جریان مییابد، نیرویی در جهت حرکت آب بر سطح بستر کانال اثر میکند. این نیرو بطور ساده نیروی کشش آب بر روی محیط مرطوب است و نیروی مالشی[2] نام دارد. بر اساس تقسیمبندیهای کلی، تنش برشی به دو دسته آرام و آشفته تقسیم بندی میگردد. تنش برشی دیواره (تنش برشی در نزدیکی دیوار یا زیر لایه ورقهای) از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. در بیرون از لایه آرام، تنش برشی آشفته حکمفرماست. یک لایه بینابینی هم وجود دارد که هردوی تنشهای آرام و آشفته در آن رخ میدهد. در برخی از متون اشاره گردیده که میزان تنش برشی آشفته تا دهها هزار برابر تنشبرشی آرام است.شکل (1-1) چگونگی توزیع پروفیل سرعت و توزیع تنش برشی آرام و آشفته را نشان می دهد. شكل(1-1): پروفیل سرعت در جریان آشفته و منحنی تنش یکی از مهمترین تفاوتهای ماهیت جریان در شرایط آزاد و تحت فشار در عوامل ایجاد جریان این دو شرایط است. در مجاری تحت فشار، عامل اصلی جریان اختلاف فشار بین دو مقطع از جریان است در حالیکه در مجاری روباز عامل اصلی جریان، نیروی ثقل میباشد. در مجاری تحت فشار عمدتاً بدلیل آنکه نوع مقطع به هندسه دایروی نزدیک است، تنش برشی در تمام مقطع تقریباً برابر است در حالیکه در مجاری روباز بدلیل آنکه عموماً نوع مقطع از جنس مستطیلی یا ذوزنقهای است و با توجه به آنکه سطح جریان با اتمسفر آزاد در تماس است، عملاً در سطح جریان هیچ نوع تنش برشی وجود ندارد در حالیکه در جدارهها و کف میزان تنش برشی بصورت معناداری وجود داشته و دارای توزیعی غیر یکنواخت است.متوسط تنشهاي برشي كف و جدارههاي كانالهاي روباز ( اعم از ساده و مرکب) را ميتوان با حل معادلات پيوستگي و مومنتم تعيين نمود. از طرفي مطالعات جريان در كانالهاي روباز نشان داده است كه تفكيك تنش برشي بستر از تنشهاي برشي جداره از جايگاه مهمي برخوردار است. بطور مثال بمنظور تخمين ميزان بار بستر ميبايد تنش برشي بستر را از تنش برشي كل تفكيك نمود. بطور مشابه براي تخمين ميزان فرسايش ديوارههاي ساحلي و سيلبندها بايستی از ميزان تنش برشي جداره آگاهي داشت. 1-2- معادلات پایهجریان یکنواخت به جریانی گفته میشود که در آن سرعت جریان در تمام مقطع یکسان میباشد. بدین منظور باید در تمام طول مقطع، شکل و عمق جریان یکسان باشد. در چنین حالتی سطح آزاد سیال با کف موازی خواهد شد. برای بدست آوردن رابطه اصلی حرکت سیال در مجاری روباز، قسمتی از سیال را که به شکل منشوری بین دو مقطع AD و BC محدود است، بعنوان حجم مشخصه سیال در نظر گرفته میشود.