فهرست مطالبعنوان صفحه فصل اول: مقدمه1-1 مقدمه........... 21-2 تعاریف......... 31-2-1 سرریزها........ 31-2-2 دریچهها....... 31-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچه...................... 41-2-4 آبشستگی....... 61-3 ضرورت انجام تحقیق....... 91-4 اهداف تحقیق....... 91- 5 ساختار کلی پایاننامه.......................... 10 فصل دوم: بررسی منابع2-1 مقدمه.......................................... 122-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان....................... 122-2 مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D................ 16 فصل سوم: مواد و روشها3-1 مقدمه.......................................... 223-2 نحوه انجام آزمایشات............................ 223-2-1 مخزن......................................... 233-2-2 پمپ.......................................... 233-2-3 کانال آزمایشگاهی............................. 233-2-4 مخزن آرامکننده جریان......................... 24 فهرست مطالبعنوان صفحه 3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز - دریچه................ 243-3 آنالیز ابعادی.................................. 253-4 شبیهسازی عددی.................................. 273-4-1 معرفی نرمافزار Flow3D........................ 283-4-2 معادلات حاکم.................................. 323-4-3 مدلهای آشفتگی................................ 333-4-3-1 مدلهای صفر معادلهای........................ 353-4-3-2 مدلهای یک معادلهای........................ 353-4-3-3 مدلهای دو معادلهای......................... 363-4-3-4 مدلهای دارای معادله تنش.................... 363-4-4 شبیهسازی عددی مدل............................ 373-4-4-1 ترسیم هندسه مدل............................ 383-4-4-2 شبکهبندی حل معادلات جریان................... 383-4-4-3 شرایط مرزی کانال........................... 403-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدل......................... 413-4-4- 5 شرایط اولیه جریان......................... 433-4-4-6 زمان اجرای مدل............................. 43 فصل چهارم: نتایج و بحث4-1 مقدمه.......................................... 464-2 شبیهسازی هیدرولیک جریان در حالت کف صلب......... 464-2-1 واسنجی نرمافزار.............................. 464-2-1-1 ارزیابی نرمافزارپ........................... 484-2-1-2 بررسی تأثیر انقباض جانبی سازه ترکیبی سرریز - دریچه بر هیدرولیک جریان................................................... 54 فهرست مطالبعنوان صفحه 4-3 شبیهسازی آبشستگی پاییندست جریان................ 594-3-1 واسنجی نرمافزار.............................. 594-3-1-1 ارزیابی نتایج نرمافزار..................... 61 فصل پنجم: پیشنهادها5-1 مقدمه.......................................... 705-2 نتیجهگیری...................................... 705-3 پیشنهادها...................................... 71منابع.............................................. 74 فهرست جدولهاعنوان صفحه جدول3- 1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدلسازی هیدرولیک جریان 25جدول 3- 2 معرفی نرمافزار Flow3D.................... 28ادامه جدول 3-2..................................... 29جدول 3- 3 محدوده دادههای به کار رفته جهت شبیهسازی آبشستگی 38جدول 3- 4 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار......... 40جدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار......... 41جدول 3- 6 مدلسازیهای انجام شده برای تعیین بهترین مقدار پارامترهای مربوط به رسوب................................................... 42جدول 4- 1 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-1)... 51جدول 4- 2 نتایج حاصل از مدلسازی سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی برای نسبت دبیها.............................................. 55جدول 4- 3 تأثیر پارامتر عدد شیلدز بحرانی بر حداکثر عمق آبشستگی 60جدول 4- 4 تأثیر پارامتر ضریب دراگ بر حداکثر عمق آبشستگی 60جدول 4- 5 تأثیر زاویه ایستایی بر حداکثر عمق آبشستگی61جدول 4-6 تأثیر پارامتر حداکثر ضریب تراکم مواد بستر بر حداکثر عمق آبشستگی 61جدول 4- 7 بهترین مقادیر برای پارامترهای مؤثر در شبیهسازی حفره آبشستگی61جدول 4- 8 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-4)... 65 فهرست شكلهاعنوان صفحه شکل 1- 1شماتيکيازجريانترکيبي عبوری همزمانازرويسرريزوزيردريچه 5شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای هیدرولیکی 8شکل 2- 1 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه مستطیل شکل با فشردگی جانبی 12شکل 2- 2 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه بدون فشردگی جانبی 12شکل 2- 3 نمایی از مدلهای آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386). 14شکل 2- 4 مدل شبيهسازي شده جريان و حفره آبشستگي جريان ترکيبي (اویماز، 1987) 14شکل 2- 5 فرآيندپروخاليشدنحفره آبشستگي درحينبرخيازآزمايشات (دهقاني و بشيري، 2010).............................................. 15شکل 3- 1 نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک. 23شکل 3- 2 مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک. 24شکل 3- 3 مدل فیزیکی سازه ترکیبی مورد استفاده در آزمایشات هیدرولیک جریان 25شکل 3- 4 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از سرریز و زیر دریچه در بستر صلب 26شکل 3- 5 مدلسازی پرش هیدرولیکی. 30شکل 3- 6 مدلسازی جریان در قوس رودخانه. 30شکل 3- 7 مدلسازی جریان عبوری از زیر دریچه. 30شکل 3- 8 مدلسازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض 31شکل 3- 9 مدلسازی آبشستگی پاییندست سازه. 31شکل 3- 10 مشبندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک. 39شکل 3- 11 مشبندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ 40شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر صلب 40شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر رسوب 41شکل 3- 14 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی هیدرولیک جریان 43شکل 3- 15 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی حفره آبشستگی 43شکل 4- 1 مقایسه نتایج پروفیل سطح آب برای شبکهبندیهای مختلف میدان جریان با داده آزمایشگاهی. 46شکل 4- 2 مقایسه پروفیل سطح آب در دو مدل تلاطمی k-εRNG و k-ε و دادههای آزمایشگاهی. 47شکل 4- 3 مقایسه پروفیل سطح آب در مدل تلاطمی k-εRNG با دادههای آزمایشگاهی 49فهرست شكلهاعنوان صفحه شکل 4-4 ارزیابی دقت مدل RNG k-ε برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی سرریز- دریچه. 49شکل 4- 5 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs / Qg) 51شکل 4- 6 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی 52شکل 4- 7 مقایسه رابطه نسبت دبیها درسازه ترکیبی سرریز- دریچه با روابط تجربیبرای تخمین دبی در سرریز و ریچه. 52شکل 4- 8 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε. 53شکل 4- 9 توزیع فشار جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε. 53شکل 4- 10 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه 54شکل 4- 11 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه 54شکل 4- 12 شماتیکی از جریان عبوری از سازه ترکیبی دارای انقباض جانبی 54شکل 4-13 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی با انقباض جانبی 55شکل 4-14 مقایسه عمق جریان درعرض کانال دربلافاصله قبل از سازه برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه رکیبی. 56شکل 4-15 مقایسه عمق جریان در طول کانال برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه ترکیبی. 56شکل 4-16 توزیع مؤلفه طولی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض 57شکل 4-17 توزیع مؤلفه طولی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض 57شکل 4-18 توزیع مؤلفه عرضی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض 58شکل 4-19 توزیع مؤلفه عرضی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض 58شکل 4- 20 مقایسه دقت شبیهسازی حفره آبشستگی با استفاده از مدلهای مختلف آشفتگی 59شکل 4- 21 ارزیابی دقت نرمافزار برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی 62شکل 4- 22 ارزیابی دقت نرمافزار برای حداکثر عمق آبشستگی 62شکل 4- 23 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در بستر متحرک. 63 فهرست شكلهاعنوان صفحه شکل 4- 24 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب 64شکل 4- 25 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی 65شکل 4-26 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان در اطراف سازه ترکیبی 66شکل 4-27 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز – دریچه (الف. بردارهای سرعت ب. خطوط جریان). 66شکل 4-28 توزیع تنش برشی در اطراف حفره آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز- دریچه در ابتدای اجرای برنامه. 67شکل 4- 29 مقایسه رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب و بستر صلب. 67شکل 4-30 نمودار رابطه حداکثر عمق آبشستگی با نسبت دبیهای عبوری از رو و زیر سازه ترکیبی. 68 1-1- مقدمهيكي از عمده‌ترين مشكلات سازه‌هايي از قبيل سرريزها، دريچهها و حوضچه‌هاي آرامش كه در بالادست بسترهاي فرسايش‌پذير قرار دارند، آبشستگي در مجاورت سازه است كه علاوه‌بر تأثير مستقيم بر پايداري سازه، ممكن است باعث تغيير مشخصات جريان و در نتيجه تغيير در پارامترهاي طراحي سازه شود. به دليل پيچيدگي موضوع، اكثر محققين آن را به صورت آزمايشگاهي بررسي كردهاند كه با وجود تمام دستآوردهاي مهمي كه تاكنون در زمينه آبشستگي موضعي حاصل گرديده است، هنوز هم شواهد زيادي از آبشستگي گسترده در پاياب دريچهها، سرريزها، شيب‌شكن‌ها، كالورت‌ها و مجاورت پايه‌هاي پل ديده مي‌شود كه ميتواند پايداري اين سازهها را با خطرات جدي مواجه كند.پديده آبشستگي زماني اتفاق مي‌افتد كه تنش برشي جريان آب عبوري از آبراهه، از ميزان بحراني شروع حركت ذرات بستر بيشتر شود. تحقيقات نشان داده است كه عوامل بسيار زيادي بر آبشستگي در پايين‌دست سازه تأثيرگذار هستند كه از جمله آنها ميتوان به اندازه و دانه‌بندي رسوبات، عمق پاياب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و ... اشاره كرد (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)).دریچههاوسرریزها به طورگستردهبه منظورکنترل،تنظیمجریانوتثبیتکف،در کانالهايبازمورداستفادهقرارمیگیرند.براثرجریانناشیازجتعبوريازرویازیرسازهها،امکان ایجادحفرهآبشستگیدرپاییندستسازههاوجودداردکهممکناستپایداريسازهرا بهخطراندازد؛بنابراین تعیینمشخصاتحفره آبشستگیمورد توجهمحققینهیدرولیک جریانقرار گرفتهاست.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. 1-2 تعاریف1-2-1 سرریزهایکی از سازههای مهم هر سد را سرریزها تشکیل میدهند که برای عبور آب اضافی و سیلاب از سراب به پایاب سدها، کنترل سطح آب، توزیع آب و اندازهگیری دبی جریان در کانالها مورداستفاده قرار میگیرد. با توجه به حساس بودن کاری که سرریزها انجام میدهند، باید سازهای قوی، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند برای بهرهبرداری آمادگی داشته باشد.معمولاً سرريزها را بر حسب مهمترين مشخصه آنها تقسيمبندي ميكنند. اين مشخصه ميتواند در رابطه با سازه كنترل و كانال تخليه باشد. بر حسب اينكه سرريز مجهز به دريچه و يا فاقد آن باشد به ترتيب با نام سرريزهاي كنترلدار و يا سرريزهاي بدون كنترل شناخته ميشوند. 1-2-2 دریچههادریچهها سازههایی هستند که از فلزات، مواد پلاستیکی و شیمیایی و یا از چوب ساخته میشوند. از دريچهها به منظور قطع و وصل و يا كنترل جريان در مجاري عبور آب استفاده میشود و از لحاظ ساختمان به گونهاي ميباشند كه در حالت بازشدگي كامل عضو مسدود كننده كاملاً از مسير جريان خارج ميگردد.دريچهها در سدهاي انحرافي و شبکههاي آبياري و زهکشي کاربرد فراوان دارند. همچنين براي تخليه آب مازاد کانالها، مخازن و پشت سدها به کار ميروند (نواک[8] و همکاران، 2004). دریچهها به صورت زیر دستهبندی میشوند:بر اساس محل قرارگیری: دریچههای سطحی و دریچههای تحتانی. دریچه سطحی تحت فشار کم و دریچه تحتانی تحت فشار زیاد قرار میگیرند.بر اساس کاری که انجام میدهند: دریچههای اصلی، تعمیراتی و اضطراری. دریچه اصلی به طور دائم مورد بهرهبرداری قرار میگیرند. برای تعمیرات از دریچه تعمیراتی و در زمان حوادث از دریچه اضطراری استفاده میشود.بر اساس مصالح بدنه: دریچههای فولادی، آلومینیومی، بتنی مسلح، چوبی و پلاستیکی. دریچه فولادی به خاطر استقامت زیاد به صورت وسیع مورد استفاده قرار میگیرد.بر اساس نوع بهرهبرداری: دریچههای تنظیم کننده دبی و دریچههای کنترلکننده سطح آببر اساس مکانیزم حرکت: دریچههای خودکار، هیدرولیکی، مکانیکی، برقی و دستی. دریچه خودکار بر اساس نیروی شناوری و وزن دریچه و بدون دخالت انسان کار میکند. دریچه هیدرولیکی بر اساس قانون پاسکال عمل مینماید. دریچه برقی از دستگاههای برقی، دریچه مکانیکی با استفاده از قانون نیرو و بازو و بالاخره دریچه دستی به صورت ساده با دست جابهجا میشوند.بر اساس نوع حرکت: دریچههای چرخشی، غلطان، شناور و دریچههایی که در امتداد یا در جهت عمود بر جریان حرکت مینمایند.بر اساس انتقال فشار آب: دریچهها ممکن است فشار را به طرفین یعنی به پایههای پل یا به تکیهگاهها منتقل نمایند و یا ممکن است نیروی فشار آب بر کف منتقل شود و یا ممکن است نیروی فشار آب به هر دو یعنی هم تکیهگاهها و هم بر کف منتقل شود. 1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچهتركيب سرريز - دريچه يكي از انواع سازههاي هيدروليكي ميباشد كه در سالهاي اخير عمدتاً براي عبور سيال در مواردي كه سيال حاوي سرباره و رسوب به صورت همزمان ميباشد (مانند كانال عبور فاضلاب) بكار رفته است. سازه ترکیبی سرریز - دریچه با تقسيم دبي عبوري از بالا و پايين خود از انباشت سرباره و رسوب در پشت سازه جلوگيري ميكند. از ديگر كاربردهاي عملي اين تركيب، ميتوان انواع سدهاي تأخيري را نام برد. در سدهاي تأخيري براي جلوگيري از انباشت رسوب در پشت سد كه منجر به كاهش حجم مفيد مخزن ميگردد اقدام به تعبيه تخليهكنندههاي تحتاني ميگردد. از طرف ديگر اين نوع سدها به علت برآورد اهداف طراحي و عبور سيلابهاي محتمل به صورت روگذر نيز عمل ميكنند كه از اين دو جهت، مدل تركيبي سرریز - دریچه ايده مناسبي براي تحليل اين نوع سدها ميباشد. اگرچه اين نوع سازه داراي كاربرد فراواني در سازههاي هيدروليكي ميباشد.جهت به حداقل رساندن مشكلات در سرريزها و دريچهها و همچنين جهت بالا بردن مزاياي آنها ميتوان از سازه تركيبي سرريز - دريچه استفاده كرد به طوري كه در يك زمان، جريان آب بتواند هم از روي سرريز و هم از زير دريچه عبور نمايد. اين وسيله تركيبي ميتواند مشكلات ناشي از فرسايش و رسوبگذاري را مرتفع نمايد (دهقاني و همكاران، 2010).همچنين با اين روش، رسوبات و مواد زائد در پشت سرريزها انباشته نمي‌‌‌شوند (ماخرک، 1985).مشكلاتي را كه در اثر وجود مواد رسوبي يا شناور در آب انتقالي براي آبياري حاصل مي‌شود، ميتوان با استفاده از سازه تركيبي سرريز - دريچه به مقدار زيادي كاهش داده که امكان اندازه‌گيري دقيق‌تر و ساده‌تر را به همراه دارد ( اسماعيلي و همكاران، 1385).سيستمسرريز - دريچهامکانعبور جريانرااز پايينو بالاييکمانعافقيدرقسمتميانيمجرا به طور همزمانفراهم نموده، بدين صورت کهموادقابل رسوبرادر پشتدريچهبه صورتزيرگذروموادشناوررابه صورتروگذرسرريز عبورميدهد (شکل 1- 1).