نمونه پایاننامه سازه های هیدرولیکی

نمونه پایاننامه سازه های هیدرولیکی

چکیده 1

مقدمه 3

1-1 بیان مسئله 4
1-2 ضرورت آموزش انجام تحقیق 6
1-3 ساختار تحقیق 71-4 مروری براصطلاحات کاربردی 7

مقدمه فصل دوم 11

2-1 تحقیقات گروه مهندسی هیدرولیک ارتش آمریکا (UPDATED 2011)-حوضچه آرامش 11
2-3 تحقیقات گروه مهندسی هیدرولیک ارتش آمریکا (UPDATED 2011)-پرش هیدرولیکی 21
2-4 تحقیقات سیلوستر (1964)- پرش هیدرولیکی در کانالهای افقی 22
2-5 برادلی (1961) – پرش هیدرولیکی در کانال های شیب دار 25

2-6 تحقیقات ادوارد – بررسی نیروی حرکت آنی و پرش هیدرولیکی در کانالهای باز 27
2-7 تحقیقات هندرسون (1966) – اتلاف انرژی در پرش های هیدرولیکی 32
2-8 تحقیقات نم و همکاران(2002) – تاثیر لبه سرریزبر آبشستگی پائین دست 33
2-9 تحقیقات برمن و هاگر (1994) – تاثیر لبه سرریز بر آبشستگی 34

2-10 تحقیقات صالح و همکاران(2003) -تاثیر دندانه های پایانی بر ویژگی های آب شکستگی پايين دست حوضچه های آرامش 34
2-11 تحقیقات اولیوتو و کومونیلو(2009)- پيشرفت آبشستگي محلي پايين دست حوضچه هاي آرامش كم ارتفاع 39
2-12 تحقیقات حمید تائبی و منوچهر فتحی مقدم (1388)-کنترل آبشستگی در پایاب فرسایش یافته حوضچه آرامش بوسیله سنگچین (مطالعه موردی سد نمرود) 46
2-13 تحقیقات فریبا اشتیاق حسن نژاد و همکاران(1390) -بررسی آزمایشگاهی آبشستگی در پایین دست سازه آرام کننده جامی مستغرق دندانه دار 47
2-14 تحقیقات وحید فریدنی و همکاران(1390)-برآورد گسترش آبشستگی در پایان پرتابه ها 48

مقدمه فصل سوم 50

3-1 تئوری تحقیق 50
3-1-1 پرش هيدروليكي بعنوان مستهلك كننده انرژي 52
3-1-2 حوضچه هاي آرامش(STILLING BASINS) 54
3-1-3 آبشستگی 63
3-1-3-1 انواع آبشستگی از نظر پیدایش 63
3-1-3-2 انواع آبشستگی از نظر حمل رسوب 64

3-1-3-3 آبشستگی کلی 65
3-2 مواد و روشها 66
3-2-1 معرفی منطقه مورد مطالعه 67
3-2-2 کنترل حوضچه آرامش سد تنظیمی دز با استفاده از طراحي دستي 71
3-2-3 شناخت پارامترهای موثر به كمك آناليز ابعادي 78

3-2-4 جزئیات مدلسازی و معرفی مدل نرم افزاری 82
3-2-5 دلایل انتخاب نرم افزار FLOW-3D 84
3-2-5-1 مدل FLOW-3D 85
3-2-5-2 روش حجم سیال (VOF) 85
3-2-5-3 روش کسر سطح – حجم مانع (FAVOR) 87
3-2-6 معادلات حاکم بر جریان 88
3-2-7 گام به گام آموزش انجام آزمایشات : 90

3-2-7-1 توصیف رسوبات 90
3-2-7-2 مدل آشفتگی 91
3-2-7-3 مش بندی مدل 92
3-2-7-4 شرایط مرزی مدل 94
3-2-7-5 نحوۀ استخراج اطلاعات 95

مقدمه فصل چهارم 97
4-1 تحلیل و ارزیابی عوامل موثر 97
4-2 نتایج حاصل از شبیه سازی توسط نرم افزار FLOW-3D 103
4-2-1 روش بررسی و ارزیابی نتایج حاصله 103
4-2-2 بررسی پروفیل های عرضی گروه مدل شماره 12 104
4-2-3 بررسی پروفیل های عرضی گروه مدل شماره 15 107

4-2-4 بررسی پروفیل های عرضی گروه مدل شماره 17 108
4-2-5 بررسی پروفیل های عرضی گروه مدل شماره 18 109
4-2-6 بررسی پروفیل های عرضی گروه مدل های 12-15-17-18 111

4-2-7 بررسی پروفیل طولی گروه مدل های 12-15-17-18 113
4-2-8 بررسی سرعت برشی 115
4-2-9 بررسی سرعت آستانه حرکت ذرات رسوب 118
مقدمه فصل پنجم 121
5-1 نتایج 121
5-2 راهکارهای علاج بخشی 123
5-3 پیشنهادات: 125
منابع فارسی : 126
منابع غیر فارسی: 129
ABSTRACT 131

فهرست شکل ها

شکل1-1 تخریب حوضچه آرامش سد تنظیمی دز ناشی از آبشستگي بستر رودخانه (سیلاب زمستان 1381). 6
شكل 2-1 تعريف طرح براي حوضچه آرامش 13
شكل 2-2 طول پرش هيدروليكي در كف افقي 15
شكل 2-3 رابطه بين عمق پاياب(YT) و عمق ثانويه (Y2 ) 17
شكل 2-4 طبقه بندي شرايط عمق پاياب براي طراحي حفاظت از آبشستگي 18
شكل 2-5 ملحقات (موج گيرها يا موج شكن ها يا بلوك هاي كف)در حوضچه آرام 19
شكل2-6 اجزاي معمول حوضچه هاي آرامش 20

شكل 2-7 ابعاد معمول موج گيرهاي اوليه 20
شكل 2-8 پرش هيدروليكي 21
شكل2-9 شكل هاي پرش مرتبط با عدد فرود 22
شكل 2-10 پرش هيدروليكي در كانالهاي افقي 23
شكل2-11 پرش هيدروليكي – كانال افقي مستطيلي 24

شكل 2-12 طول پرش براي كانالهاي مستطيلي 25
شکل 2-13 اتلاف انرژی نسبی برای شکل های متعدد کانال 25
شکل 2-14 انواع پرش های هیدرولیکی در کانالهای شیب دار 26
شكل 2-15 پرش هاي هيدروليكي در كانال رو باز 27
شكل 2-16 دياگرام معادله اندازه حركت 29

شكل 2-17 رفتارهاي جريان در پرش هيدروليكي 31
شكل 2-18 تاثير نسبت گسترش براي حوضچه بدون دندانه انتهايي 38
شكل 2-19 تاثير نسبت گسترش براي حوضچه با دندانه انتهايي 38
شكل 2-20 تاثير ارتفاع دندانه انتهايي براي حوضچه 39
شكل 2-21 آبشستگي محلي و كلي پايين دست سرريزهاي انحرافي در رودخانه سيني (عكس بالا) و گريك سورو ( عكس پايين ) ،جنوب ايتاليا 40
شکل 3-1 انواع پرش هیدرولیکی 53

شکل 3-2 محل تشکیل پرش هیدرولیکی 58
شکل 3-3 تعیین ضریب تصحیح C 60
شکل 3-4 تعیین ضریب کاهش با توجه به نوع جریان 61
شکل 3-5 انواع شکل دماغه پل و ضرایب مربوطه 62
شکل3-6 آبشستگی کلی در محل 66
شكل3-7 شبكه آبياري دز 68
شكل 3-8 سد دز 70
شكل 3-9 سد تنظيمي دز 71

شكل 3-10 شماي تعريفي آبشستگي پايين دست حوضچه هاي آرامش یکنواخت با دندانه انتهايي 79
شکل 3-11 ترسیم نقشه و جزئیات سد تنظیمی دز در نرم افزار اتوکد 83
شکل 3-12 نمای سه بعدی صلب سازه های هیدرولیکی طراحی شده در نرم افزار اتوکد 84
شكل 3-13 نمونه ای از مقادیر VOF درنزدیکی سطح آزاد 86
شكل 3-14 سایز و خصوصیات دانه بندی رسوبات بستر در مدل های 12 و 17 90
شكل 3-15 درصد ترکیب دانه بندی رسوبات بستر در مدل های 12 و 17 91

شکل 3-16 تصویر نهایی مش بندی مدل در نرم افزار 94
شکل 3-17 عکس شرایط مرزی مدل در نرم افزار 94
شکل 4-1 محل تشکیل پرش هیدرولیکی 98

شکل 4-2 طول حوضچه آرامش USBR IV برای اعداد فرود 5/4< FR1≥ 5/2 98
شکل 4-3 ابعاد حوضچه آرامش USBR IV 99
شکل 4-4 پروفیل عرضی آبشستگی(گروه مدل شماره 12) 105
شکل 4-5 مقطع عرضی آبشستگی در نرم افزارFLOW-3D (گروه مدل شماره 12) 105
شکل 4-6 سه بعدی اجرای مدل و پیدایش آبشستگی در نرم افزارFLOW-3D 106

شکل 4-7 پروفیل عرضی آبشستگی(گروه مدل شماره 15) 107
شکل 4-8 مقطع عرضی آبشستگی در نرم افزارFLOW-3D (گروه مدل شماره 15) 107
شکل 4-9 پروفیل عرضی آبشستگی(گروه مدل شماره 17) 108
شکل 4-10 مقطع عرضی آبشستگی در نرم افزارFLOW-3D (گروه مدل شماره 17) 109
شکل 4-11 پروفیل عرضی آبشستگی(گروه مدل شماره 18) 110

شکل 4-12 مقطع عرضی آبشستگی در نرم افزارFLOW-3D (گروه مدل شماره 18) 110
شکل 4-13 مقاطع عرضی آبشستگی در گروه مدلهای مختلف 112
شکل 4-14 پروفیل طولی آبشستگی در گروه مدلهای مختلف 114
شکل 4-15 سرعت برشی در طول بستر رسوبی 117
شکل 4-16 مقایسه سرعت آستانه حرکت ذرات رسوبی 118
شكل 5-1 سایز و خصوصیات دانه بندی رسوبات بستر در مدل های 15 و 18 124
شكل 5-2 درصد ترکیب دانه بندی رسوبات بستر در مدل های 15 و 18 124

فهرست جدول ها

جدول 2-1 دامنه کاربردی عدد فرود برای حوضچه های آرامش 11
جدول2-2 بررسی مقایسه ای ابعاد حوضچه های آرامش(سیستم متریک ) 12
جدول 2-3 شرایط آزمایش ومشخصات حفره آبشستگی برای RUN های با S=0 43
جدول 3-1جزئیات مش بندی مدل در نرم افزار 93
جدول4-1 موقعیت دقیق مقاطع عرضی جهت اندازه گیری و ثبت اطلاعات هیدرولیکی 104

جدول 4-2 اطلاعات خروجی نرم افزار جهت دستیابی به مقاطع عرضی گروه مدل های 12-15-17-18 111
جدول4-3 اطلاعات خروجی نرم افزار جهت دستیابی به پروفیل طولی گروه مدل های 12-15-17-18 113
جدول4-4 سرعت برشی گروه مدل های 12-15-17-18 115
جدول4-5 مقادیر سرعت آستانه حرکت ذرات رسوبی 118

چکیده

مهار رودخانه ها با هر انگیزه ای عموماً توسط سدها و سازه های مشابه آموزش انجام مي شود. جريان عبوری از اين سازه ها داراي پتانسيل قابل توجهي براي فرسایش و آبشستگي بسترهای مستعد مي باشد. حوضچه هاي آرامش عمدتا به منظور استهلاک انر‍‍ژي جريان و حفظ امنیت سازه های هیدرولیکی در مقابل نیروهای احتمالی، طراحی و ساخته مي شوند. شدت و الگوی جريان درون این سازه ها مي تواند آبشستگي پائين دست را بطور جدی گسترش دهد.

تحقیق حاضر، حاصل یک مطالعه عددی و شبیه سازی سه بعدی بر روند ایجاد آبشستگی بستر در پایین دست حوضچه آرامش سد تنظیمی دز می باشد؛ از این رو در ابتدا با استفاده از تحلیل ابعادی، پارامترهای بدون بعد موثر بر آبشستگی، شناسایی شدند؛ سپس آزمایشاتی تحت زمان های مختلف، بر روی نمایه صلب فلوم سد تنظیمی دز، با شرایط دبی ماکزیمم (دبی طرح)، مصالح غیر یکنواخت بستر (ترکیبی از ماسه و شن ریز و درشت) و با بهره گیری از مدل FLOW-3D صورت گرفت؛ پس از آن اثرات هر یک از پارامترهای موثر نظیر، پارامترهای جریان، مشخصه ذرات بستر، سرعت آستانه حرکت ذرات، هندسه نمایه صلب حوضچه آرامش و نقش توسعه زمان بر تداوم آبشستگی و پروفیل تغییرات بستر استخراج گردید.

اهم نتایج به دست آمده نشان میدهد؛ که پیدایش بیشترین آبشستگی زمانی رخ می دهد که الگوهاي جريان نامتقارن بر مدل غالب گردیده و مصالح بستر مطابق با شرایط پایاب و سرعت آستانه حرکت ذرات، تعیین نشده باشند.

كلمات كليدي: آبشستگی، نمایه صلب، سرعت آستانه حرکت، بستر غیر یکنواخت، سد تنظیمی دز.

مقدمه

فرسایش در علم مکانیک سیالات عبارتست از ﺗﻐﻴﻴﺮ ﺷﻜﻞ و ﺟﺎﺑﺠﺎﻳﻲ ﻛﻪ ﺳﻴﺎل ﻧﺎﺷﻲ از ﺣﺮﻛﺖ ﺧـﻮد ﺑﺮ روي ﺳﻄﻮﺣﻲ ﻛﻪ در ﻣﺠﺎورت آﻧﻬﺎ ﺣﺮﻛﺖ ﻣﻲ‌ﻛﻨﺪ، اﻳﺠﺎد ﻣﻲ‌ﻧﻤﺎﻳﺪ. ﺑﻌﻨﻮان ﻣﺜﺎل ﺣﺮﻛﺖ ﺳـﻴﺎل ﻫـﻮا در ﻗﺎﻟﺐ ﺑﺎد در ﺻﺤﺮا ﻛﻪ ﻣﻨﺠﺮ ﺑﻪ ﻓﺮﺳﺎﻳﺶ ﺷﻦ‌ﻫﺎي روان و ایجاد تغییر شکل و جا به جایی در آنها می‌گردد. به طور اخص در علم هیدرولیک که سیال مورد بحث آب می‌باشد، فرسایش از اهمیت خاصی برخوردار بوده و ﺑﻪ آن ﭘﺪﻳﺪه آﺑﺸﺴﺘﮕﻲ ﮔﻔﺘﻪ ﻣﻲ‌ﺷﻮد. اﻳﻦ اﻫﻤﻴﺖ از آﻧﺠﺎ ﻧﺸﺄت ﻣﻲ‌ﮔﻴﺮد ﻛﻪ زﻧﺪﮔﻲ ﺑﺸﺮ در ﻃﻮل ﺗﺎرﻳﺦ در ﻛﻨﺎر رودﺧﺎﻧﻪ‌ﻫﺎ و ﺳﻮاﺣﻞ ﺷﻜﻞ ﮔﺮﻓﺘﻪ و اﻳﻦ ﺧﻮد ﺑـﻪ ﻣﻌﻨـﻲ روﻳـﺎروﻳﻲ داﺋـﻢ اﻧـﺴﺎن ﺑـﺎ‬ ﻋﻮارض اﻳﻦ ﭘﺪﻳﺪه ﻣﻲ‌ﺑﺎﺷﺪ.

سازه‌هایی که انسان برای ارتقا و رفاه حال جامعه بشری در کنار سواحل و رودخانه‌ها یا در مجاورت آنها احداث کرده است همواره در معرض آسیب و انهدام قرار دارند. همین امر سبب انگیزه‌ برای شناخت قوانین حاکم برعلم سیالات و شناخت هیدرولیک جریان گردیده است. به خصوص این نگاه در 100 سال اخیر علمی‌تر گشته و محققین را بر آن داشته تا با شناخت پارمترهای موثر و میزان تاثیر هر کدام از آنها، در پی ایجاد راهکارهایی مناسب جهت کاهش این پدیده برآیند (پارس‌مهر، 1390).

يکي از مهمترين عوامل تخريب سازه های هیدرولیکی، آبشستگي اطراف آنها مي باشد . لذا به منظور جلوگيري و کاهش اثرات آن، شناخت مکانيزم آن لازم و ضروري مي باشد. مواد بستر رودخانه ها فرسايش پذيرهستند، اما شدت اين فرسايش به زمان بستگي دار د . بطوريکه بستر رودخانه هاي پوشيده از گرانيت سالهاي زيادي طول مي کشد تا فرسايش يابد، در حاليکه رودخانه هايي با بستر ماسه اي در فاصله زماني بسيار کوتاه حداکثر عمق آبشستگي را دارا مي باشد . علاوه برساختار زمين و رودخانه ها که يکي از عوامل مهم در فرسايش است، عوامل هيدروليکي نيز نقش بسزايي در وقوع اين پديده ايفا مي کنند.

حوضچه های آرامش به عنوان عضو سازه ایی مورد نیاز در پائین دست سدها و در جهت استهلاک نیروهای جنبشی مخرب طراحی و اجرا می شوند. این سازه بالاخص در شرایط سیلابی می تواند نقش موثری در کنترل و مهار جریانهای سیلابی پس از خروج از سد و پیش از ورود به رودخانه ایفا نماید . لذا طراحی و اجرای دقیق این سازه ها به خصوص در بالادست شبکه های آبیاری و زهکشی می تواند مدیریت بهره برداری و نگهداری از این شریانهای حیاتی هیدرولیکی آبیاری را ارتقا بخشد . این امر در پائین دست سد تنظیمی دز و بالادست سد انحرافی دز از اهمیت به سزایی برخوردار است زیرا کنترل و مهار جریانهای مخرب در تنظیم جریانهای مهار شده کانالهای انتقال و توزیع و آبرسانی به موقع به مزارع پائین دست برای کلیه بهره برداران و مدیران این شبکه ها اهمیت دارد .

با توجه به اهمیت تعادل و پایداری این سازه ها هر گونه آبشستگی می تواند راندمان بهره برداری از سازه ها را مختل نماید . لذا مطالعه و بررسی ابعاد گوناگون روند آبشستگی در این مطالعه مد نظر بوده تا از این رهگذر بتوان چالش های موجود در روند بروز و ایجاد این معضل هیدرولیکی کنترل و مدیریت گردد.
سد تنظیمی دز دارای دو حوضچه آرامش به ابعاد و طراحی های مختلف به منظور مستهلک نمودن انرژی، طراحی شده است که یکی از حوضچه ها جهت آرامش آب رها شده از دریچه ها ی آبیاری و دیگری خاصا جهت دریچه تخلیه رسوبات طراحی شده است که در اثر سیلاب زمستان 1381 در این منطقه حوضچه ها ی آرامش در پائین دست تخریب و در زیر دیواره های جناحین نیز آبشستگی هایی بوجود آمده است .

علیرغم اهمیت توجه و مطالعه نارسایی ها در فازهای پس از ساخت سازه های آبی عمده ادبیات مهندسی موجود روی چگونگی طراحی متمرکز شده و شکاف عمده ایی در بین ساخت و مشکلات بهره برداری مشهود بوده و با وجود اهمیت مدیریت بهینه بهره برداری تاکنون مقالات و نتایج پژوهشهای اندکی برای بهره برداری کارشناسی موجود است.

همچنین با توجه به اینکه آب شستگی های پائین دست حوضچه های آرامش سد تنظیمی دز به مرور به سمت بالا پیش روی کرده ،باعث شکستگی هایی در حوضچه آرامش و در نهایت به همراه آبشستگی های طرفین تهدیدی برای پایداری سد خواهند شد.

پس لازم است در دبی های طراحی سازه حوضچه و یا نحوه بهره برداری از دریچه ها تجدید نظر شود ، لذا از نقطه نظر نظری لزوم یک پژوهش که بتواند یک چهارچوب تحلیلی مناسبی برای استفاده کارشناسان و مهندسان باشد احساس می شود، بنابراین با استفاده از داده های موجود و دسترسی به مسئله تحقیق در سد تنظیمی دز هدف ارائه تحلیل جامع و فراگیر و تا حدودی کاربردی با پشتوانه تئوریک به منظور ارتقاء شیوه های کارشناسی در تقویت مدیریت سخت افزاری این سازه ها که منجر به نتایجی چون بهره وری بهینه از امکانات موجود و برون رفت از و ضعیت موجود با هدف سوق به وضعیت مطلوب می باشد .

مطالعه حاضر بر اساس بکارگیری داده های موجود سازمان آب و برق خوزستان بعلاوه مشاهدات میدانی پژوهشگر بوده که در قالب تحلیلی برنامهFLOW 3D تفسیر و مورد بحث قرار می گیرد .

1-1 بیان مسئله

حوضچه های آرامش به عنوان عضو سازه ایی مورد نیاز در پائین دست سدها و در جهت استهلاک نیروهای جنبشی مخرب طراحی و اجرا می شوند. این سازه بالاخص در شرایط سیلابی می تواند نقش موثری در کنترل و مهار جریانهای سیلابی پس از خروج از سد و پیش از ورود به رودخانه ایفا نماید. لذا طراحی و اجرای دقیق این سازه ها به خصوص در بالادست شبکه های آبیاری و زهکشی می تواند مدیریت بهره برداری و نگهداری از این شریانهای حیاتی هیدرولیکی آبیاری را ارتقا بخشد . این امر در پائین دست سد تنظیمی دز و بالادست سد انحرافی دز از اهمیت به سزایی برخوردار است زیرا کنترل و مهار جریانهای مخرب در تنظیم جریانهای مهار شده کانالهای انتقال و توزیع و آبرسانی به موقع به مزارع پائین دست برای کلیه بهره برداران و مدیران این شبکه ها اهمیت دارد .

با توجه به اهمیت تعادل و پایداری این سازه ها هر گونه آبشستگی می تواند راندمان بهره برداری از سازه ها را مختل نماید . لذا مطالعه و بررسی ابعاد گوناگون روند آبشستگی در این مطالعه مد نظر بوده تا از این رهگذر بتوان چالش های موجود در روند بروز و ایجاد این معضل هیدرولیکی کنترل و مدیریت گردد .
سد تنظیمی دز در حوضه جغرافیایی استان خوزستان، شهرستان دزفول دارای دو حوضچه آرامش به ابعاد و طراحی های مختلف به منظور مستهلک نمودن انرژی، طراحی شده است که یکی از حوضچه ها جهت آرامش آب رها شده از دریچه ها ی آبیاری و دیگری خاصا جهت دریچه تخلیه رسوبات طراحی شده است که در اثر سیلاب زمستان 1381 در این منطقه حوضچه ها ی آرامش در پائین دست تخریب و در زیر دیواره های جناحین نیز آبشستگی هایی بوجود آمده است .

تحقيقات بسياري در زمينه آبشستگي موضعي بستر در اثر جريان عبوري آموزش انجام و نتايج قابل توجهي نيز حاصل شده است. از آنجا که موضوع آبشستگی به دلیل کثرت عواملی كه بر آن تاثيرگذار هستند، دارای پیچیدگی بوده بيشتر مطالعات به صورت آزمايشگاهي آموزش انجام یافته است. لذا در این تحقیق سعی می شود تا نتایج حاصل از شبیه سازی عددی توسط مدل نرم افزاری سه بعدی جریان Flow-3D، با بررسی های میدانی و محاسبات دستی، ارزیابی مهندسی گردیده تا ضمن شناخت کامل دلایل وقوع مسئله، توان مدل عددی در این زمینه نیز آزموده شود و در شرایط مشابه از این نوع مدل به جای مدل آزمایشگاهی استفاده شود.

نرم افزارFlow-3D معادلات حاکم بر سیال را با استفاده از تقریبات حجم محدود حل می کند. همچنین محیط جریان به شبکه‌ای با سلول‌های مستطیلی ثابت تقسیم شده که برای هر سلول مقادیر میانگین کمیت‌های وابسته وجود دارد. بخش آبشستگی Flow-3D از بقاء جرم و معادله‌ی انتقال-پخش استفاده می نماید تا انتقال رسوب را پیش بینی نماید.

شکل1-1 تخریب حوضچه آرامش سد تنظیمی دز ناشی از آبشستگي بستر رودخانه (سیلاب زمستان 1381).

1-2 ضرورت آموزش انجام تحقیق

لذا از نقطه نظر نظری لزوم یک پژوهش که بتواند یک چهارچوب تحلیلی مناسبی برای استفاده کارشناسان و مهندسان باشد احساس می شود ،بنابراین با استفاده از داده های موجود و دسترسی به مسئله تحقیق در سد تنظیمی دز هدف ارائه تحلیل جامع و فراگیر و تا حدودی کاربردی با پشتوانه تئوریک به منظور ارتقاء شیوه های کارشناسی در تقویت مدیریت سخت افزاری این سازه ها که منجر به نتایجی چون بهره وری بهینه از امکانات موجود و برون رفت از و ضعیت موجود با هدف سوق به وضعیت مطلوب می باشد .

1-3 ساختار تحقیق

پژوهش حاضر در پنج فصل و به ترتیب زیر شکل گرفته است:
1- مقدمه و اهداف تحقیق،
2- پیشینه تحقیق،
3- مواد و روش ها‌،
4- بحث و نتایج،
5- نتیجه‌گیری و پیشنهادات.

در فصل اول (فصل حاضر) اهمیت بررسی مسئله تخریب حوضچه های آرامش و سازه های هیدرولیکی پایین دست، تحت تاثیر آبشستگی بستر و نقش فرسایش زودهنگام مصالح در تشدید آن و همچنین اهداف مورد نظر در این تحقیق عنوان گردیده است. فصل دوم به ارائه جزئیات چندین مطالعه مهم در خصوص پرش هیدرولیکی و پدیده آبشستگی می پردازد. در فصل سوم با عنوان مواد و روش‌ها ضمن بررسی مباحث نظری و تئوری مکانیزم پدیده آبشستگی، به بررسی معادلات حاکم بر جریان به معرفی مدل‌های آشفتگی معمول در شبیه‌سازی‌های هیدرولیکی پرداخته می‌شود. در ادامه مدل‌های مورد استفاده در شبیه‌سازی عددی آبشستگی معرفی و در مورد مدل عددی سه بعدی FLOW-3D که مدل منتخب و مورد استفاده در این تحقیق است، به تفصیل بحث می‌شود.

سپس به طور اجمالی به معرفی منطقه مورد مطالعه و ارائه جزئیات مدل سازی، شناخت مدل عددی و چگونگی آموزش انجام آزمایشات پرداخته خواهد شد. فصل چهارم تحقیق حاضر، فصل بحث و نتایج می‌باشد که در آن نتایج دستی و خروجی های نرم افزار شبیه ساز و همچنین مقایسه نتایج حاصل از مدل عددی FLOW-3D با نتایج مشاهداتی حاصل از مطالعات میدانی در قالب جداول و نمودار‌های مربوطه ارائه شده است. سرآموزش انجام در فصل پنجم که فصل نتیجه‌گیری و پیشنهادات می‌باشد، کلیه نتایج بدست آمده و راهکارهای علاج بخشی مسئله بطور خلاصه و مفید جمع بندی شده و همچنین پیشنهاداتی برای آموزش انجام تحقیقات آتی در این زمینه بیان شده است.

1-4 مروری براصطلاحات کاربردی

– دینامیک سیالات محاسباتی(CFD):

برای تحلیل عددی مدل‌های آزمایشگاهی باید از یک مدل تحلیلی استفاده شود. مدل‌های عددی که جهت حل میدان‌های سیال استفاده می‌شود بهCFD معروف هستند. CFD ابزاری بر اساس روش‌های عددی است که جهت شبیه‌سازی رفتار سیستم‌هایی شامل جریان سیال، انتقال حرارت و دیگر فرآیند‌های وابسته به کار می‌رود. در این روش‌ها معادلات جریان سیال برای منطقه مورد نظر که با شرایط مرزی مشخص شده‌است، حل می‌شود(نجف‌زاده، 1388).

– روش حجم محدود (VOF):

یکی از روش های حل دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) می باشد که در انفصال میدان جریان کاربرد دارد. این روش دارای ظاهر روش تفاضل محدود است ولی بسیاری از ایده¬های روش اجزا محدود را به کار می گیرد. روش حجم محدود به علت مستتر بودن خاصیت بقای جرم در آن، در حل میدان جریان سیال نسبت به روش های انفصال ارجح میباشد. در این روش ابتدا دامنه موردنظر به تعدادی حجم کنترل انتگرال¬گیری شده و معادلات به فرم عددی منفصل میگردند. ایده اصلی در این روش انفصال تقریب معادلات دیفرانسیل جزئی در نقاط مجزا نمی باشد، بلکه شرط برقراری اصل بقای جرم به صورت ماکروسکوپی دارای اهمیت است( حیدری، 1381).

– آبشستگي (Scouring):

به فرسایش بستر و کناره آبراهه در اثر عبور جریان آب، به فرسایش بستر در پایین دست سازه های هیدرولیکی به علت شدت جریان زیاد و یا به فرسایش بستر در اثر بوجود آمدن جریان های متلاطم موضعی، آبشستگی گویند( علی حسینی، 1387).

– پرش هیدرولیکی:

پرش يا جهش هيدروليكي، از انواع جريانهاي متغيير سريع است كه در بسياري از كارهاي عملي با آن روبرو بوده و آن عبارت است از تغيير حالت جريان از فوق بحراني به زير بحراني . چنانچه آب در قسمتي از مسير داراي حالت فوق بحراني بوده و بنا به مشخصات و موقعيت خاص كانال بخواهد تغيير حالت دهد،عمق جريان در مسير نسبتا كوتاهي به ميزان قابل ملاحظه اي افزايش يافته و نتيجتا ضمن ايجاد افت انرژي محسوس ، از ميزان سرعت به اندازه قابل توجهي كاسته مي گردد .

اين پديده كه يكي از پديده هاي مهم جريان آب در كانالهاي باز بوده و از ابتدا تا انتها ي آن يك تلاطم و پيچش سطحي آب وجود دارد ، به پرش هيدروليكي يا پرش آبي موسوم است، در چنين حالت و به تناسب شدت پرش، آشفتگي هايي در سطح آب ديده مي شود كه بتدريج كه به سمت انتهاي پرش نزديك مي شويم از شدت آنها كاسته شده و متناسبا و به جهت تبديل انرژي به گرما، انرژي آب نيز كاهش مي يابد. علاوه بر آن به جهت اين آشفتگي و تلاطم و در اثر برخورد آب با هوا، مقداري هوا با آب و در قسمتهاي سطحي مخلوط شده كه به سمت پايين دست منتقل و نهايتا به شكل حباب هاي هوا رها مي گردد.

– عمق آبشستگی:

عمق ناشی از فرسایش بستر نسبت به بستر اولیه را عمق آبشستگی می نامند.

– مدل عددی:

مدل عددی به منظور شبیه¬سازی و حل میدان جریان به کار می¬رود و بر پایه محاسبات عددی بنا شده است. اساس کار آن، حل عددی معادلات دیفرانسیل پاره¬ای مربوط به سیستم هایی نظیر جریان سیال، انتقال حرارت و واکنش های شیمیایی می‌باشد. این روش مزایایی از قبیل کاهش اساسی در زمان و قیمت طراحی دارد، به مطالعه و شبیه سازی مسائلی که آموزش انجام محاسبات روی آن ها مشکل و غیر¬ممکن است یا در شرایط خاص و بحرانی قرار دارند که رسیدن به آن در شرایط آزمایشگاهی غیرممکن است، می¬پردازد. با استفاده از مدل عددی می توان اطلاعات کامل و جزئیات دقیق از حل را به دست آورد زیرا قادر به محاسبه تمام کمیت های موردنظر مثل سرعت، دما، چگالی، انرژی و … در هر نقطه از جریان می¬باشد( رستمی، 1386).

– مدل¬ آشفتگی:

مشخصه اصلی جریان آشفته، نوسانی بودن میدان سرعت آن می¬باشد. این نوسانات سرعت باعث به هم ریخته شدن کمیت¬های انتقالی مثل مومنتم، انرژی و غلظت (در ترکیبات شیمیایی) می‌شود و در نتیجه این کمیت¬های انتقالی نیز مثل سرعت به صورت نوسانی درمی-آیند، چون این نوسانات دارای مقیاس¬های (اندازه¬های) کوچک و فرکانس¬های بالا می¬باشند، لذا شبیه¬سازی آن¬ها به طور مستقیم و با محاسبات کاربردی مهندسی قابل آموزش انجام نیست و در عوض باید از میانگین¬گیری زمانی در معادلات استفاده نمود و سعی کرد این مقیاس¬های کوچک را از معادلات حذف کرد تا بتوان معادلات اصلاح شده¬ای داشت که هزینه کمتری برای حل داشته باشند.

اما برای بیان این نوسانات در این معادلات اصلاح شده نیاز به تعریف متغیرهای جدیدی خواهد بود. البته می¬توان این متغیرهای جدید را با شیوه¬ها و روش¬های مختلفی تعیین و سپس محاسبه نمود که به این روش¬ها، مدل¬های آشفتگی گفته می¬شود( دهقانی سانیچ، 1387).

نمونه پایاننامه