بهرام رضائی

در زمان وقوع سیلاب در رودخانه ها، در صورتی که مقطع اصلی رودخانه قادر به انتقال سیلاب ایجاد شده نباشد، جریان کانال اصلی را ترک کرده و وارد سیلاب دشت ها می شود. با توجه به تاثیر شرایط توپوگرافی محلی، رودخانه هایی با مقطع مرکب مستقیم در طبیعت به ندرت پیدا می شوند و اغلب رودخانه ها دارای مقطع عرضی غیرمنشوری هستند. ساختار جریان در کانال های مرکب غیرمنشوری بسیار پیچیده تر از کانال های مرکب منشوری است. به همین دلیل بررسی میدان جریان در چنین کانال هایی بسیار حائز اهمیت است و به مهندسان در درک بهتر رفتار جریان در رودخانه ها به ویژه در زمان وقوع سیلاب کمک می کند. در دهه های اخیر مشخصات میدان جریان در کانال های مرکب منشوری و غیرمنشوری با هندسه مختلف مورد بررسی قرار گرفته، اما تاکنون مطالعات محدودی در مورد مقاطع مرکب غیرمنشوری با سیلاب دشت های مایل واگرا صورت گرفته و ابهامات زیادی در مورد ویژگی های جریان در این نوع از کانال های مرکب وجود دارد. لذا در این پژوهش میدان جریان در کانال مرکب غیرمنشوری با سیلاب دشت های مایل واگرا (8/11 درجه) به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. آزمایش ها شامل اندازه گیری پروفیل سطح آب، توزیع سرعت جریان و توزیع تنش برشی مرزی بود. نتایج حاصل از بررسی ها نشان داد که با حرکت در امتداد ناحیه واگرایی سرعت جریان در کانال اصلی و سیلاب دشت ها کاهش یافت اما با افزایش دبی جریان و حرکت در امتداد ناحیه واگرایی، سرعت در کانال اصلی افزایش و در سیلاب دشت ها کاهش یافت. با حرکت در امتداد ناحیه واگرایی، میزان و ابعاد جریان های ثانویه کاهش یافت. در یک دبی مشخص، با حرکت در امتداد ناحیه واگرایی، نیروی برشی در کف و دیواره کانال اصلی کاهش یافت؛ در حالی که نیروی برشی در کف سیلاب دشت، افزایش و در دیواره های آن کاهش یافت. با افزایش دبی جریان در یک مقطع عرضی یکسان، نیروی برشی در کف کانال اصلی به طور متوسط افزایش می یابد در صورتی که در کف سیلاب دشت ها به طور متوسط کاهش می یابد. همچنین نتایج بررسی پروفیل سطح آب نشان داد که در ناحیه منشوری بالادست کانال، عمق آب تقریبا ثابت است اما در ناحیه واگرایی کانال، پروفیل سطح آب صعودی است. نوسان های به وجود آمده در پروفیل سطحی آب ناشی از جریان های برگشتی و موج های عرضی است.

در هنگام وقوع سیلاب در رودخانه، چنانچه مقطع اصلی رودخانه قادر به انتقال سیلاب ایجاد شده نباشد، جریان مازاد بر ظرفیت کانال اصلی، وارد سیلاب دشت ها می شود. سیلاب دشت ها اغلب محل تعداد زیادی از گیاهان است. پوشش گیاهی عموما مقاومت در برابر جریان را افزایش می دهد و موجب تغییر توزیع سرعت شده و بر ظرفیت تخلیه و نرخ انتقال رسوب تاثیر می گذارد. در پژوهش حاضر اثر پوشش گیاهی در میدان جریان در کانال مرکب با سیلاب دشت های مایل به صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایش ها برای دبی های 27، 30، 35، 40 و 45 لیتر بر ثانیه و برای سه حالت بدون پوشش گیاهی، پوشش گیاهی با آرایش زیگزاگ و پوشش گیاهی با آرایش موازی در سیلا ب دشت، انجام شد. یک سرعت سنج داپلر آکوستیک سه بعدی برای اندازه گیری سرعت جریان استفاده شد. به منظور الگو پوشش گیاهی غیر مستغرق در سیلاب دشت ها، از میله هایی با جنس پالستیک فشرده سخت به قطر mm 10 و فواصل طولی و عرضی mm 100 از یکدیگر استفاده شد. در نتیجه نسبت فاصله بین میله ها به قطرآن ها برابر 10 لحاظ گردید. تراکم پوشش گیاهی موازی 28/14 %بیشتر از تراکم پوشش گیاهی زیگزاگ است. با استفاده از داده های آزمایشگاهی، توزیع عرضی سرعت جریان، تنش برشی مرزی، توزیع دبی جریان، جریان های ثانویه، نیمرخ سطح آب و مقاومت جریان بررسی شده اند. نتایج نشان داد که سرعت جریان، سرعت متوسط در عمق، دبی عبوری و تنش برشی مرزی برای حالت با پوشش گیاهی در مقایسه با شرایط بدون پوشش گیاهی در کانال اصلی همواره افزایشی و در سیلاب دشت ها همواره کاهشی است. وجود پوشش گیاهی موجب می شود دبی عبوری در سیلاب دشت بین 30 تا 40 درصد کاهش و دبی عبوری در کانال اصلی بین 10 تا 22 درصد افزایش یابد. تاثیر آرایش زیگزاگ در دبی عبوری در کانال اصلی نسبت به آرایش موازی 2 تا 3 درصد بیشتر است. با حضور پوشش گیاهی نسبت به شرایط بدون پوشش گیاهی میانگین سرعت متوسط در عمق، در کانال اصلی 10 تا 23 درصد افزایش و در سیلاب دشت 13 تا 19 درصد کاهش می یابد. همچنین در پوشش گیاهی با آرایش زیگزاگ یکنواختی بیشتری در توزیع عرضی سرعت متوسط در عمق و توزیع تنش برشی در محدوده سیلاب دشت مشاهده می شود. ضریب اصلاح انرژی جنبشی در امتداد پوشش گیاهی و دبی 27 لیتر بر ثانیه 10 تا 50/11 درصد و برای دبی 45 لیتر بر ثانیه 22 تا 24 درصد افزایش می یابد. اعداد بزر

شبیه سازی جریان در مقاطع مرکب یا رودخانه های طبیعی از مهم ترین مسائلی است که برای کاهش خطرات سیلاب و همچنین مدیریت سیلاب دشت ها مورد بررسی قرار می گیرد. به دلیل پیچیدگی ساختار جریان در زمان سیلاب، استفاده از مدل های ریاضی یک بعدی، منطقی نبوده و نتایجی توام با خطا ارائه می نمایند. امروزه با پیشرفت و توسعه نرم افزارهای شبیه سازی عددی و افزایش سرعت محاسبات کامپیوترها، استفاده از روش های عددی مبتنی بر دینامیک سیالات محاسباتی توسعه یافته است است، تاکنون مشخصات میدان جریان در کانال های مرکب منشوری و غیر منشوری با مقطع مختلف به صورت مدل های عددی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. اما مطالعات محدودی در مورد مقاطع مرکب غیرمنشوری با سیلاب دشت های مورب صورت گرفته و ابهامات زیادی در مورد ویژگی های جریان در این نوع از کانال های مرکب وجود دارد. برای بررسی مشخصات جریان در کانال های مرکب با سیلاب دشت های مایل مورب، از نرم افزار انسیس فلوئنت و مدل آشفتگی k-ɛ استفاده و نتایج عددی با داده های آزمایشگاهی مقایسه شده است. نتایج این تحقیق نشان دهنده آن است که مدل آشفتگی k-ɛ با دقت قابل توانائی پیش بینی توزیع سرعت و تنش برشی مرزی در این نوع کانال ها بوده و نیز قادر به پیش بینی الگوی جریان های ثانویه و گردابه های ایجاد شده در کانال اصلی ناشی از انتقال جرم بین زیر بخش های کانال می باشد. بررسی ها نشان می دهد که با افزایش زاویه اریب سیلاب دشت ها، سرعت جریان در امتداد ناحیه اریب کانال، افزایش می یابد. بیشترین اختلاف سرعت بین کانال اصلی و سیلاب دشت ها، در مقطع ابتدائی ناحیه اریب کانال مشاهده و با حرکت در امتداد ناحیه اریب، این اختلاف سرعت کاهش می یابد. با افزایش زاویه اریب، تنش برشی در کل مقطع عرضی کانال، به ویژه در مقاطع ابتدائی و میانی ناحیه اریب، افزایش می یابد؛ اما در مقطع انتهائی ناحیه اریب، میزان افزایش ناچیز است. همچنین محل بیشینه تنش برشی در کل مقطع عرضی کانال، در مقطع شروع ناحیه اریب در کانال اصلی و در سمت سیلاب دشت واگرا است. افزایش عمق نسبی جریان سبب افزایش تنش برشی در کل مقطع عرضی می شود. همچنین با افزایش زاویه اریب سیلاب دشت ها، تاثیر عمق نسبی جریان بر افزایش تنش برشی، کاهش می یابد.

یافتن پروفیل توزیع سرعت جریان در عمق در کانال ها یکی از مهم ترین موضوعات برای مهندسین هیدرولیک بوده و سال ها مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است. توزیع سرعت در مقطع عرضی رودخانه، اساس مدل سازی هیدرولیکی، انتشار جریان، انتقال رسوبات و انتقال آلودگی بوده است. توزیع سرعت همچنین مستقیماً با مشخصات مختلف جریان، نظیر توزیع تنش برشی، تخمین پروفیل سطح آب، اندازه گیری ظرفیت کانال و سایر ویژگی های جریان در ارتباط است. در مجاری روباز نظیر رودخانه ها و کانال ها، سرعت از صفر در کف کانال به مقدار بیشینه درنزدیکی سطح آب افزایش می یابد. در کانال های کم عرض، علاوه بر راستای قائم، سرعت در جهت عرضی نیز تغییر می کند، بنابراین توزیع سرعت در این کانال ها دوبعدی در نظر گرفته می شود. هدف از این پایان نامه، بررسی امکان کاربرد مدل های تحلیلی، جهت پیش بینی توزیع سرعت در عمق در کانال های مرکب منشوری و غیرمنشوری می باشد. تاکنون تحقیقات بسیاری حهت شبیه سازی توزیع سرعت در عمق در کانال منشوری با مقطع ساده انجام شده است اما بر روی کانال های مرکب منشوری و یا غیرمنشوری مطالعه ی چندانی صورت نگرفته است. در این تحقیق تلاش شده تا با استفاده از مدل بنکداری و همکاران (2008)، توزیع سرعت در عمق در کانال های مرکب منشوری و غیرمنشوری شبیه سازی شود. به این منظور دو نوع کانال مرکب منشوری (با سیلاب دشت های به عرض 200 و 400 میلی متر) و کانال مرکب غیر منشوری با سیلاب دشت های اریب (با زوایای اریب 5 و 9 درجه) انتخاب و توزیع سرعت در عمق و در ناحیه مرکزی کانال اصلی، شبیه سازی شده است. بررسی ها نشان دهنده آن است که مدل بنکداری و همکاران (2008) توزیع سرعت در عمق را در ناحیه مرکزی کانال مرکب منشوری و غیرمنشوری با دقت قابل قبولی پیش بینی می کند. این دقت عموماً در کانال های مرکب منشوری با افزایش عرض سیلاب دشت ها از 200 میلی متر به 400 میلی متر و نیز افزایش عمق جریان افزایش می یابد. همچنین در کانال های مرکب غیر منشوری با سیلاب دشت های اریب، با کاهش زاویه اریب از 9 درجه به 5 درجه دقت مدل فوق الذکر در پیش بینی توزیع سرعت در عمق افزایش می یابد.

از گذشته های دور تا کنون بسیاری از تمدن ها و شهرهای بزرگ، بدلیل حاصل خیزی خاک و دسترسی آسان به آب آشامیدنی در کنار رودخانه ها و در محدوده سیلاب دشت ها شکل گرفته و توسعه یافته است. در نتیجه هرساله بر اثروقوع بارندگی و جاری شدن سیلاب، شاهد تلفات جانی و خسارات مالی بسیاری در کشورهای مختلف بوده و هستیم. این امر سبب شده که در دهه های اخیر به منظور پیش بینی رفتارجریان در رودخانه ها و در زمان سیلاب، مطالعات بسیاری به صورت تجربی و یا تحلیلی توسط مهندسین هیدرولیک ترتیب داده شود. مقطع عرضی رودخانه ها عموماً از کانال اصلی در وسط و یک یا دو سیلاب دشت در طرفین تشکیل شده است. در زمان وقوع سلاب بدلیل محدود بودن ظرفیت انتقال کانال اصلی، جریان آب وارد سیلاب دشت ها شده و مقطع عرضی رودخانه از مقطع ساده به مقطع مرکب تغییر شکل می دهد. به همین دلیل مطالعه جریان در کانال های مرکب می تواند به محققین در شبیه سازی جریان در رودخانه کمک کند. در کانال های مرکب، به دلیل تفاوت سرعت جریان در کانال اصلی و سیلاب دشت ها، یک لایه برشی در فصل مشرک بین آن ها شکل می گیرد. که در اثر تشکیل این لایه برشی و تبادل جرم و اندازه حرکت در آن،ظرفیت انتقال کانال اصلی کاهش، در سیلاب دشت ها افزایش و در کل مقطع کاهش می یابد. در این پایان نامه به منظور بررسی تاثیر کاهش عرض و شیب جانبی سیلاب دشت ها بر میدان جریان، توزیع سرعت جریان و تنش برشی جدار در کانال مرکب منشور با سیلاب دشت های به عرض 200 و 400 میلی متر و شیب جانبی 075/0 برای دبی های مختلف به صورت آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفته است. با استفاده از داده های آزمایشگاهی ضرایب مقاومت جریان، مقادیر دبی جریان در کانال اصلی و سیلاب دشت ها و نیز سلول های جریان ها ثانویه برای دبی ها و عمق های نسبی مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین با استفاده از معادلات اندازه حرکت نوشته شده برای حجم کنترل در کانال اصلی و سیلاب دشت ها، نیروی برشی ظاهری در فصل مشترک بین کانال اصلی و سیلاب دشت ها برای عمق های نسبی مختلف محاسبه شده است. در برخی مراحل تحقیق نتایج حاصل از اندازه گیری سرعت و تنش برشی بستر با داده ها حاصل از آزمایش بر روی کامال مرکب منشوری با ابعاد هندسی مشابه ولی سیلاب دشت های مسطح (افقی) مقایسه شده است.

در هنگام وقوع سیلاب در رودخانه، چنانچه مقطع اصلی رودخانه قادر به انتقال سیلاب ایجاد شده نباشد، جریان مازاد بر ظرفیت کانال اصلی وارد سیلاب دشت ها می شود. با توجه به تاثیر شرایط توپوگرافی محلی، رودخانه هایی با مقطع مرکب مستقیم در طبیعت به ندرت یافت می شوند و اغلب رودخانه ها دارای مقطع عرضی غیرمنشوری هستند. در کانال های مرکب غیرمنشوری، به دلیل تاثیر تغییر مقطع عرضی در طول کانال، ساختار جریان پیچیده تر از کانال های مرکب منشوری است. به همین دلیل بررسی ویژگی های جریان در چنین کانال هایی امری مهم بوده و می تواند به مهندسان در درک بهتر رفتار جریان در رودخانه ها، به ویژه در مواقع سیلابی کمک کند. در پژوهش حاضر، رفتار جریان در کانال های مرکب مورب با سیلاب دشت های مایل (شیب دار) به صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. در این کانال ها یکی از سیلاب دشت ها به صورت واگرا و دیگری به صورت همگرا است. آزمایش ها در سه عمق نسبی 2/0، 3/0 و 4/0 و برای دو زاویه اریب 81/3 و 31/11 درجه انجام شده است. اندازه گیری ها در طول ناحیه اریب در 5 مقطع با فواصل طولی 5/1 متری برای کانال مرکب با زاویه اریب 81/3 درجه و در 3 مقطع با فواصل طولی 1 متری برای کانال مرکب با زاویه اریب 31/11 درجه انجام شده است. هدف از این اندازه گیری ها بررسی اثر زاویه اریب سیلاب دشت ها و همچنین شیب جانبی (عرضی) آن ها بر ویژگی های جریان در کانال های مرکب مورب است. با استفاده از داده های آزمایشگاهی، توزیع عرضی سرعت جریان، تنش برشی مرزی، توزیع دبی جریان، جریان های ثانویه، نیمرخ سطح آب و مقاومت جریان بررسی شده اند. با توجه به نتایج، توزیع عرضی سرعت جریان و تنش برشی مرزی در کانال های مرکب مورب با سیلاب دشت های مایل به صورت نامتقارن و غیریکنواخت است. همچنین همواره سرعت جریان و تنش برشی مرزی در سیلاب دشت واگرا بیشتر از مقدار آن ها در سیلاب دشت همگرا است. با افزایش زاویه اریب سیلاب دشت ها، سرعت جریان و تنش برشی مرزی در کل مقطع عرضی کانال، به ویژه در سیلاب دشت ها افزایش یافته است. همچنین با افزایش زاویه اریب سیلاب دشت ها، بزرگای جریان های ثانویه افزایش یافته نیمرخ سطح آب به صورت غیر یکنواخت درمی آید. به دلیل شیب جانبی سیلاب دشت ها، سرعت و تنش برشی مرزی در سیلاب دشت واگرا افزایش یافته درحالی که مقادیر آن ها در سیلاب دشت همگرا کاهش یافته

رودخانه ها دائماً بستر و کناره های خود را دست خوش تغییر قرار داده و همین امر سبب می شود که مسیر آن ها در طول زمان دچار تغییرات اساسی شود. همگام با حرکت و جاری شدن آب و رسوب بستر در رودخانه، تغییر و جابجایی در سایر مشخصات هندسی آن به وقوع می پیوندد. کانالهای مرکب، مقطع عرضی بسیاری از رودخانه ها را تشکیل می دهد. بررسی رفتار هیدرولیکی کانال های مرکب، در طرح های کنترل سیلاب و ساماندهی رودخانه ها اهمیت فراوانی دارد. سرعت جریان در کانال اصلی رودخانه به دلیل عمق زیاد و ضریب زبری کمتر نسبت به سیلاب دشت ها بیشتر است، این در حالی است که جریان در سیلاب دشت ها به دلیل عمق کم و ضریب زبری بیشتر دارای سرعت بسیار کمتری است. این اختلاف سرعت بین کانال اصلی و سیلاب دشت ها باعث ایجاد گرادیان عرضی قابل توجهی می شود، به همین دلیل لایه برشی در مرز مشترک این دو بخش به وجود خواهد آمد. این لایه برشی ایجاد شده، منجر به بروز تنش برشی اضافه بر تنش برشی بستر و جداره های کانال می شود که به آن تنش برشی ظاهری گفته می شود. در نتیجه حضور این لایه برشی، گردابه هایی در جهت جریان و در جهت عمود بر جریان به وجود می آید. با افزایش عمق جریان بر روی سیلاب دشت ها، فاصله بین این گردابه ها و ابعاد آن ها به تدریج کم شده و در عمل یک ناحیه اندرکنشی پیوسته در فصل مشترک کانال اصلی و سیلاب دشت ها به طور یکنواخت ایجاد می شود. این فرآیند باعث تبادل پیوسته جرم و مومنتم بین کانال اصلی و سیلاب دشت ها می گردد. در این تحقیق تاثیر زاویه های مختلف همگرایی سیلاب دشت ها با شیب عرضی یکسان بر هیدرولیک جریان در کانال های مرکب غیرمنشوری به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. به همین منظور آزمایش های مختلفی در سه عمق نسبی (3/0 و 4/0 و 5/0) برای زاویههای همگرایی °81/3 و °31/11 انجام شده است. آزمایش ها شامل اندازه گیری پروفیل سطح آب، توزیع سرعت جریان و توزیع تنش برشی مرزی بود و نتایج به دست آمده در قالب جدول و نمودارهای مختلف گزارش شد. برای اندازه گیری سرعت در مقاطع عرضی مختلف در طول ناحیه همگرایی از دستگاه سرعت سنج صوتی داپلر (ADV) و برای اندازه گیری تنش برشی مرزی از لوله پرستون با قطر خارجی چهار میلی متر استفاده شده است. نتایج حاصل نشان می دهد که افزایش زاویه همگرایی و عمق نسبی باعث تغییر در هیدرولیک جریان خواهد شد به طوریکه در یک عمق نس

سرریز ها از قدیمی ترین و مهم ترین سازه های هیدرولیکی هستند که کاربردهای متعددی نظیر عبور آب اضافی ناشی از سیلاب، کنترل سطح آب در مخزن، انحراف جریان، کاهش فرسایش رودخانه و محاسبه میزان دبی عبوری را دارند. یک نمونه از انواع سرریزها، سرریز جانبی است. هدف از استفاده ی سرریز جانبی در سیستم های انتقال و توزیع آب ، کنترل سطح جریان، انحراف آب و جلوگیری از خسارات ناشی از وقوع سیل می باشد. می توان از اشکال مختلف سرریزهای جانبی به سرریزهای غیر خطی در تاج اشاره نمود. سرریزهای غیرخطی دارای اشکال مختلفی نظیر سرریزهای کنگره ای و کلید پیانویی هستند و در جایی که برای احداث سرریز محدودیت طول داشته باشیم برای افزایش طول تاج و در نتیجه افزایش ظرفیت تخلیه استفاده می شوند. در سرریزهای کنگره ای و کلیدپیانویی ضریب تخلیه دبی از اهمیت ویژه ای برخوردار است و در این تحقیق ضریب تخلیه این سرریزها به صورت سرریز جانبی مورد بررسی قرار گرفته است. مدل های آزمایشگاهی سرریزهای کنگره ای مثلثی، ذوزنقه ای و مستطیلی و سرریز کلید پیانویی این پژوهش هر کدام در 3 سیکل و 4 ارتفاع 5، 10، 15 و 20 سانتی متر با استفاده از ورق های پلکسی گلس به ضخامت 5 میلی متر در طول بازشدگی 57 سانتی متر ساخته شده اند و سرریزهای کلید پیانویی از نوع تیپA بوده است. آزمایش های انجام شده در این پژوهش در کانال تحقیقاتی آزمایشگاه هیدرولیک دانشگاه بوعلی سینا با طول 10 متر و عرض و ارتفاع 60 سانتی متر انجام شده است. همچنین جریان حاکم بر روی سرریزهای جانبی از نوع متغیر مکانی با کاهش دبی می باشد و برای بررسی ضریب تخلیه سرریزها از رابطه دی مارچی استفاده گردیده است. در سرریزهای کنگره ای مثلثی، ضریب تخلیه سرریز با ارتفاع 5 سانتی متر به طور میانگین نسبت به سرریزهای با ارتفاع 10، 15 و 20 سانتی متر به ترتیب 9/17، 3/22 و 8/26 درصد افزایش داشته است. در سرریزهای کنگره ای ذوزنقه ای، ضریب تخلیه سرریز با ارتفاع 5 سانتی متر به طور میانگین نسبت به سرریزهای با ارتفاع 10، 15 و 20 سانتی متر به ترتیب 4/11، 14 و 6/17 درصد افزایش داشته است. در سرریزهای کنگره ای مستطیلی، ضریب تخلیه سرریز با ارتفاع 20 سانتی متر به طور میانگین نسبت به سرریزهای با ارتفاع 5، 10 و 15 سانتی متر به ترتیب 34، 3/7 و 1/14 درصد افزایش داشته است. در سرریزهای کلید پیانویی ضریب تخلیه سرریز با ا

پیش بینی توزیع سرعت و تنش برشی در کانال های مرکب غیر منشوری با سیلاب دشت های همگرا با استفاده از مدل آشفتگی LES

کانال مرکب در واقع مدل ساده شده آزمایشگاهی از یک رودخانه می باشد و مطالعه آن کمک بسیاری در شناخت ویژگی های جریان در رودخانه ها، در طرح های مهندسی رودخانه در مواقع سیلابی و کنترل سیلاب خواهد داشت. با توجه به اهمیت بالای سیلاب دشت های مجاور رودخانه، از حیث جنبه های مختلف اقتصادی، تفریحی، کشاورزی و به خصوص تامین حفاظت انسان ها از خطرات احتمالی ناشی از سیلاب و طغیان رودخانه‎ ها، نیاز به مطالعه هیدرولیک و مشخصات جریان جهت ایجاد ساختاری مطمئن برای بهره برداری هرچه بیشتر از ظرفیت این منابع ، از ضرورت بالایی برخوردار می شود. توزیع سرعت یکی از مهم ترین مباحث در مطالعات جریان های کانال های روباز است، به طوریکه جهت تعیین سرعت متوسط، تعیین دبی متوسط و لحظه ای، محاسبه تنش برشی روی جداره ها، انتقال غلظت رسوب، انتقال آلودگی و مقاومت جریان مورد نیاز است. از این رو پروفیل سرعت در مقطع عرضی کانال ها، سالها مورد مطالعه ی پژوهشگران بسیاری قرار گرفته است. روابط معروف توزیع سرعت دارای ضعف هایی در پیش بینی توزیع سرعت می باشند از جمله اینکه سرعت را در حالت یک بعدی اندازه گیری می کنند، و یا در مواقعی که سرعت بیشینه در زیر سطح آب رخ می دهد، در اندازه گیری دچار خطا می شوند، همچنین اندازه گیری میدانی سرعت بسیار زمان بر و پرهزینه می باشند، و در موارد سیلابی کاربرد ندارند، لذا استفاده از روش هایی که هم دقت کافی را دارا باشند و هم در زمان و هزینه بهینه عمل کنند بسیار با اهمیت می باشد. در این تحقیق سعی برآن شده است که با استفاده از تئوری آنتروپی، و اصل بیشینه آنتروپی و معادله توزیع سرعت چیو، توزیع سرعت را در یک کانال مرکب منشوری روباز با مشخصات معلوم بدست آوریم و سپس آن را با نتایج آزمایشگاهی و همینطور با نتایج روش SKM بر روی همین کانال به مقایسه و بررسی قرار دهیم. این روش توسط معیارهای RMSE و ER مورد ارزیابی قرارگرفت، و نتایج نشان دهنده دقت بالای روش آنتروپی در پیش بینی توزیع سرعت و برتری آن نسبت به روش SKM می باشد.

مقاطع مرکب در مهندسی رودخانه از اهمیت زیادی برخوردار است. معمولاً در بستر رودخانه های طبیعی یک یا دو ناحیه کم عمق (سیلاب دشت ها) در مجاورت یک ناحیه عمیق (مقطع اصلی) قرار دارند. اختلاف سرعت جریان در کانال اصلی و سیلاب دشت ها، موجب شکل گیری یک لایه برشی و اندرکنش در فصل مشترک بین این زیر مقاطع می شود. در گذشته روش های تجربی و تحلیلی بسیاری برای برآورد ظرفیت انتقال در کانال های مرکب ارائه شده است. در سال های اخیر نیز با توسعه علوم رایانه ای، پیشرفت زیادی در زمینه های مختلف هوش مصنوعی، از جمله شبکه های عصبی حاصل شده است. استفاده از شبکه های عصبی در پیش بینی و تخمین پدیده های مختلف علمی و مهندسی، رواج و توسعه بسیاری پیدا کرده است. در این تحقیق به منظور پیش بینی سرعت جریان در کانال های مرکب منشوری با سیلاب دشت هائی به عرض 100، 200ُ، 300 و 400 میلی متر، از شبکه های عصبی مصنوعی پرسپترون چندلایه (MLP) موجود در نرم افزار MATLAB استفاده شده است و میزان دقت مدل سازی با استفاده از داده های آزمایشگاهی مورد مقایسه و سنجش قرار گرفته است. در این مدل سازی 70 درصد داده ها جهت آموزش و 30 درصد آن ها جهت آزمون مدل استفاده شده است. دقت مدل سازی با استفاده از معیارهای ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) و مجذور ضریب همبستگی (R^2) مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتیجه حاصل، نشان از دقت خوب این مدل ها در تخمین میزان سرعت جریان آب در کانال های مرکب منشوری دارد.

در این پایان نامه، مسئله اصلی پیشبینی سرعت و تنش برشی جریان در کانال های مرکب غیرمنشوری است. این کانال ها از دو قسمت کانال اصلی عمیق در وسط و دو سیلاب دشت همگرا در اطراف آن که به صورت نسبی عمق کمتری نسبت به کانال اصلی دارند، تشکیل شده است. مطالعات هیدرولیک جریان بر روی این کانال ها به تبادل جرم و اندازه حرکت بین سیلاب دشت ها و کانال اصلی به مراتب پیچیده تر از کانال های مرکب منشوری است. در کانال های غیرمنشوری با سیلاب دشت ها همگرا به دلیل ورود جریان از سیلاب دشت ها به کانال اصلی و ترکیب آن با جریان طولی، جریان های ثانویه بسیار قوی در کانال اصلی و در نزدیک دیواره ها به وجود آمده که این جریان های گردا به ای مارپیچی توزیع سرعت و به خصوص تنش برشی را به شدت تحت تاثیر خود قرار می دهد. بنابراین ارائه مدلی که در آن تاثیر پارامترهای مختلف هندسی و هیدرولیکی در توزیع سرعت و تنش برشی موردتوجه قرار گیرد لازم و ضروری است. در دهه اخیر روش های مبتنی بر هوش مصنوعی به دلیل قابلیت شبیه سازی فرایندهای پیچیده، کاربرد زیادی در زمینه های مختلف مهندسی آب یافته اند. در تحقیقات و پژوهش های پیشین روش های مختلفی برای پیش بینی دبی جریان، سرعت آب و تنش برشی در کانال مرکب ارائه شده است. برنامه ریزی ژنتیک جز الگوریتم های تکاملی محسوب می شود، قادر به بهینه سازی ساختار مدل و مولفه های آن بوده و رابطه صریحی بر اساس متغیرها و پارامترهای فرایند ارائه می نماید. در این تحقیق به منظور پیش بینی توزیع سرعت و تنش برشی در کانال مرکب غیرمنشوری از روش برنامه ریزی ژنتیکی موجود در نرم افزار MATLAB استفاده شده است و میزان دقت مدل سازی با استفاده از داده های آزمایشگاهی مورد مقایسه و سنجش قرارگرفته است که 70 درصد داده ها برای آموزش و 30 درصد داده ها برای آزمون مدل به کاررفته است. دقت این روش ها نیز با استفاده از معیار جذر میانگین مربعات خطا RMSE، ضریب تعیین R2، مربع میانگین خطای استاندارد MSE و میانگین قدر مطلق خطا MAE مورد ارزیابی قرارگرفته است. نتایج حاصل از مدل-سازی نشان داد که این مدل در پیش بینی توزیع سرعت و تنش برشی در کانال های مرکب غیرمنشوری عملکرد خوبی داشته و همچنین روابطی برای این دو پارامتر ارائه شده است.

رودخانه ها و کانال ها به عنوان مجاری انتقال آب محسوب می شوند که امروزه به واسطه اهمیت منابع آب و افزایش بهره برداری از این منابع، شناخت و بررسی جریان در آن ها امری مهم تلقی می شود. توزیع تنش برشی مرزی و سرعت متوسط عمقی از مشخصه های مهم هیدرولیکی در کانال های روباز به شمار می روند که شناخت چگونگی توزیع آن ها در مجاری انتقال می تواند در مطالعه آشفتگی جریان و انتقال رسوب مفید باشد. برای اندازه گیری پارامترهای مهم هیدرولیکی از جمله سرعت متوسط عمقی و تنش برشی مرزی روش های مختلفی پیشنهاد شده است. روش SKM یکی از این روش ها است که برای اولین بار توسط شیونو و نایت 1988 معرفی شد. روش SKM در واقع یک مدل شبه دوبعدی است که براساس انتگرال گیری در عمق معادلات ناویه-استوکس و حل تحلیلی آن بنا شده است. در این تحقیق با استفاده از الگوریتم ژنتیک پارامترهای SKM به صورت خودکار بهینه شدند. در این روش ابتدا معادله SKM با پارامترهای اولیه که توسط الگوریتم ژنتیک فرض می شود برای کانال ذوزنقه ای ساده اعمال شد. سپس با استفاده از الگوریتم ژنتیک بهترین مقدار برای این پارامترها محاسبه شد. در انتها برای اطمینان از مقادیر به دست آمده از این روش نتایج سرعت متوسط عمقی و تنش برشی به دست آمده از این روش با مقادیر به دست آمده در آزمایشگاه مقایسه شد. مقایسه نتایج نشان داد که پارامترهای محاسبه شده در این تحقیق با دقت خوبی محاسبه شده است و در نتیجه سرعت متوسط عمقی و تنش برشی با دقت زیادی تخمین زده شدند. همچنین نتایج نشان داد که بهترین مقدار برای عامل اصطکاک برابر 02/0، برای تعداد نسل 125، پول سایز 120، تورنمنت سایز 70، احتمال ترکیب 9/0 و شاخص توزیع ترکیب 10 می باشد. در نهایت بهترین مقدار برای ویسکوزیته گردابی در پنل های 1 تا 4 به ترتیب 9/0، 19/0، 48/0 و 23/0 و بهترین مقدار ترم جریان در پنل های 1 تا4 به ترتیب 18/0-، 42/0، 73/0 و 24/0- می باشد.

رودخانه ها نقش مهمی را در شرایط روزانه کره زمین ایفا می کنند. با نبود آب و منابع آن، هستی امکان پذیر نیست؛ در مهندسی رودخانه، دقّت در پیش بینی پارامترهای جریان و دبی در کانال های باز از اهداف اصلی و ضروری به شمار می آید. بیشتر رودخانه ها و نهرهای طبیعی از دو قسمت تشکیل شده اند؛ که شامل کانال اصلی و سیلاب دشت ها می شوند. به دلیل ایجاد ساختار خاص جریان در کانال های مرکب شناخت و پیش بینی جریان در نوع از کانال ها، برای مهندسین هیدرولیک اهمیت زیادی دارد. جریان در کانال های مرکب، دارای ساختار پیچیده ای است؛ که این پیچیدگی به دلیل حضور لایه برشی در فصل مشترک جریان بین کانال اصلی و سیلاب دشت است. لایه برشی به دلیل اختلاف سرعت بین جریان کانال اصلی و جریان موجود در سیلاب دشت به وجود می آید؛ و درنتیجه حضور این لایه، گردابه هایی در جهت جریان و در جهت عمود بر جریان به وجود می آید. مقدار شعاع و شدت گردابه های موجود در جریان در ناحیه لایه برشی به تبادلات جرم و اندازه حرکت در کانال اصلی و سیلاب دشت ها، میزان اختلاف سرعت و سرعت نسبی، عمق نسبی جریان، زبری نسبی و جریان های ثانویه بستگی دارد. در پژوهش پیش رو به مدل سازی جریان در کانال مرکب غیر منشوری با سیلاب دشت های همگرا، با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی و شبکه های عصبی مصنوعی پرداخته شده است و میزان دقت مدل سازی ها با استفاده از داده های آزمایشگاهی ارائه شده توسط رضایی، در سال 2006 مورد مقایسه و سنجش قرار گرفته است. مدل سازی با روش دینامیک سیالات محاسباتی با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent، و با استفاده از مدل آشفتگی گردابه بزرگ (Large Eddy) صورت گرفته است؛ و در مدل سازی با استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی (ANN)، از الگوریتم انتشار برگشتی (BP) استفاده شده است. طبق نتایج حاصل از هر دو روش تطابق قابل قبول در پیش بینی مشخصات جریان مشاهده شده است و می توان این گونه بیان نمود که؛ این دو روش، روش های قابل اطمینانی برای مدل سازی جریان در کانال مرکب غیرمنشوری با سیلاب دشت های همگرا به حساب می آیند . همچنین مشاهده شده است که؛ مدل آشفتگی گردابه بزرگ در مدل سازی جریان های آشفته توانایی قابل توجّهی دارد و در نواحی از جریان که حضور گردابه ها پررنگتر است دقت پیش، دقت رگرسون افزایش یافته و رابطۀ ایجاد شده بین پارامترها دقیق تر بود.

ماهیت سه بعدی جریان در کانال های مرکب با سیلاب دشت های منشوری، پیش بینی مشخصات جریان را برای مهندسین هیدرولیک با دشواری مواجه می سازد. در کانال های مرکب به دلیل تفاوت سرعت در کانال اصلی و سیلاب دشت ها یک لایه برشی در فصل مشترک کانال اصلی و سیلاب دشت ها ایجاد می شود که در نتیجه آن، گردابه های بزرگ مقیاس با محور قائم و نیز جریان ثانویه مارپیچی شکل در جهت محور طولی ایجاد می گردد. مطالعه جریان در مقاطع مرکب و شناخت عوامل موثر بر جریان در این نوع مقاطع یک عامل ضروری محسوب می شود به ویژه در مواقعی که مسیر رودخانه از دشتی وسیع به دره ای تنگ برسد که در این شرایط سیلاب دشت ها همگرا می شوند. در کانال های مرکب غیرمنشوری که دارای سیلاب دشت های همگرا هستند به دلیل تغییرات هندسی سیلاب دشت ها در طول مسیر جریان، تاثیرات اندرکنش و تبادل اندازه حرکت بین کانال اصلی و سیلاب دشت ها مدام در حال افزایش است. در این تحقیق جریان در کانال مرکب غیرمنشوری با سیلاب دشت های همگرا به صورت تحلیلی با استفاده از معادلات ناویه استوکس متوسط گیری شده در عمق مورد مطالعه قرار گرفته است. به این منظور در معادله ناویه-استوکس متوسط گیری شده، تاثیر همگرایی سیلاب دشت ها بر روی جریان های ثانویه به صورت پارامتر K اعمال و جواب تحلیلی معادله استخراج شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی تحلیلی سرعت متوسط در عمق و تنش برشی با داده های آزمایشگاهی کانال مرکب غیر منشوری با زوایای تقارب 31/11 و 81/3 (آزمایش های سری ONPC2-0 وONPC6-0 ) و نیز روش شیونو و نایت مقایسه شده است. بررسی ها نشان داده که منظور نمودن تناسب بین مولفه طولی و عرضی سرعت در معادله ناویه استوکس منجر به بهبود قابل ملاحظه توزیع سرعت و تنش برشی در مقایسه با روش معمول شیونو و نایت می شود.

اندازه گیری میدان جریان در آزمایش های هیدرولیک کماکان یکی از دغدغه های اصلی محققین مختلف است. با پیشرفت علم هیدرولیک و پیچیده شدن هر چه بیشتر آزمایش های مربوطه، در دو دهه اخیر سعی شده است تا تجهیزات و روش های اندازه گیری دقیق تری ارائه و استفاده گردد. تجهیزات اندازه گیری کنونی از جمله سرعت سنج های مکانیکی، جریان سنج، داپلر لیزری و دیگر تجهیزات مشابه از دقت مناسبی در اندازه گیری متغیرهای جریان مانند سرعت برخوردار هستند؛ اما این تجهیزات به طور کلی اندازه گیری ها را به صورت نقطه ای انجام می دهند و به دلیل سریع بودن فرآیندهای جریان، قادر به اندازه گیری میدان سرعت جریان نیستند. همچنین همه این تجهیزات برای اندازه گیری سرعت جریان باید در نزدیکی یا در تماس مستقیم با آب باشند. امروزه با پیشرفت تجهیزات اپتیکی و افزایش وضوح تصاویر و سرعت تصویربرداری دوربین های دیجیتال، روش پردازش تصویر می تواند جایگزینی برای روش های پر هزینه کنونی باشد. محدودیت های فوق در استفاده از روش های کنونی در تعیین سرعت آب و برآورد دبی باعث شده است تا محققین به دنبال روش های جدیدی در برآورد سرعت سطحی جریان باشند، روش هایی که می توانند به صورت پیوسته، سرعت سطحی و دبی جریان را برآورد نمایند و همچنین به عنوان روشی جدید و نو مورد توجه قرار گیرند و پایه و اساس تحقیقات بعدی در این زمینه باشند. مطالعه حاضر، نتایج کار آزمایشگاهی صورت گرفته برای برآورد سرعت سطحی جریان با استفاده از پردازش تصویر را ارائه می دهد. به منظور استفاده از تکنیک پردازش تصویر از نرم افزار Matlab استفاده شده است و به منظور برآورد دقت روش حاصله، سرعت ها نیز با استفاده از سرعت سنج ADV برداشت شد. همچنین از الگوریتم PIV برای برآورد سرعت سطحی و فاصله هر شناور تا دیواره کانال استفاده شد. پروفیل های سرعت عرضی و قائم و کانتور سرعت ها با استفاده از نتایج ADV ترسیم شد و در نهایت نتایج پردازش تصویر با نتایج داده های آزمایشگاهی موجود مقایسه شدند و جذر متوسط خطا برابر 063 به دست آمد. مقایسه نتایج آزمایش PIV با نتایج ADV نشان داد که انطباق خوبی بین نتایج ADV و نتایج حاصل از پردازش تصویر وجود دارد. این امر تصدیق می کند که سرعت های سطحی با استفاده از تکنیک PIV بهدرستی اندازه گیری شده اند و ابزارهای اندازه گیری مبتنی بر تصویر یک ابزار اندازه گیری مناسب بر

از دیرباز تا کنون وجود روشی مناسب برای تخمین سرعت در مجاری طبیعی یکی از دغدغه های مهندسان رودخانه محسوب می شود. بدین منظور روش های بسیاری برای برآورد سرعت جریان به وجود آمده است، یکی از این روش ها روش دو بعدی SKM است. روش SKM اولین بار در کانال های مرکب منشوری شکل، مورد استفاده قرار گرفته است. توزیع عرضی سرعت، در کانال های مرکب، به دلیل وجود جریان های ثانویه قوی دارای شرایط پیچیده ای است. این پیچیدگی در رودخانه ها به علت داشتن مقطع نامنظم، بیشتر به چشم می خورد. در چنین شرایطی، پیش بینی سرعت جریان، امری دشوار به نظر می رسد. همچنین تخمین سرعت، با روش های کلاسیک موجود نظیر رابطه مانینگ، در کانال های مرکب و به ویژه در رودخانه ها به دلیل اندرکنش بین جریان در کانال اصلی و سیلاب دشت ها نسبت به نتایج واقعی، ، خطای بیشتری دارد. برای مطالعه ی جریان در رودخانه ها، شناخت برخی از عوامل موثر بر رفتار جریان، ضروری است. جهت دستیابی به این شناخت، می توان از تلفیق داده های آزمایشگاهی و مدل های تحلیلی و عددی بهره گرفت. دراین پایان نامه از روش شیونو-نایت بهره گرفته شده است. این روش، مبتنی بر حل معادلات دو بعدی جریان در کانال های باز، با استفاده از متوسط گیری معادلات ناویه-استوکس می باشد. در این پژوهش ابتدا مقادیر سرعت متوسط در عمق و همچنین تنش برشی محاسبه شد. سپس مقادیر دبی جریان برآورد و با مقادیر به دست آمده از اندازه گیری مقایسه شده است. نتایج حاکی از آن است که روش شیونو نایت با داشتن اطلاعات پایه صحیح، از قابلیت مناسبی در برآورد میزان سرعت متوسط در عمق بر خوردار است.

پیش بینی میدان جریان در کانال های مرکب به علت ماهیت سه بعدی جریان برای مهندسین هیدرولیک امری دشوار تلقی می شود. در کانال های مرکب منشوری مشخصه اصلی شامل اثر بر هم کنش بین جریان سریع در کانال اصلی و جریان آرام در سیلاب دشت ها می شود. این اختلاف که یک لایه برشی قوی در سطح مشترک بین کانال اصلی و سیلاب دشت ها ایجاد می کند، منجر به تولید گردابه های بزرگ مقیاس در جهت محور عمودی و نیز جریان ثانویه مارپیچی شکل در جهت محور طولی می گردد. در نتیجه این امر، بین کانال اصلی و سیلاب دشت ها تبادل اندازه حرکت صورت گرفته که سبب کاهش ظرفیت انتقال جریان در کانال اصلی و افزایش آن در سیلاب دشت ها می شود. در این تحقیق تلاش گردیده است که میدان جریان در کانال های مرکب با سیلاب دشت های مورب برای دو زاویه اریب مختلف 5.1 و 9.2 درجه با استفاده از نرم افزار ANSYS-CFX شبیه سازی گردد. نتایج حاصل از شبیه سازی عددی که از طریق حل معادلات میانگین زمانی ناویه – استوکس با استفاده از 4 مدل آَشفتگی ، EARSM، Eddy Viscosity Transport Eqو SSG در دو مقطع بالادست و پایین دست جریان و در چهار عمق نسبی متفاوت برای هر یک از زوایای اریب به دست آمده با نتایج حاصل از فلوم آزمایشگاهی مقایسه گردیده است. توزیع سرعت میانگین در عمق، توزیع تنش برشی مرزی، محاسبه دبی در کانال اصلی و سیلاب دشت ها، توزیع سرعت طولی و عرضی در عمق و پیش بینی گردابه های ناشی از جریان ثانویه با استفاده از 4 مدل آشفتگی انتخاب شده و مقایسه آن با نتایج آزمایشگاهی، از جمله موارد مورد بحث در این تحقیق می باشند.

پیش بینی میدان جریان در کانال های مرکب به علت ماهیت سه بعدی جریان برای مهندسین هیدرولیک امری دشوار تلقی می شود. در کانال های مرکب منشوری مشخصه اصلی شامل اثر بر هم کنش بین جریان سریع در کانال اصلی و جریان آرام در سیلاب دشت ها می شود. این اختلاف که یک لایه برشی قوی در سطح مشترک بین کانال اصلی و سیلاب دشت ها ایجاد می کند، در کانال های مرکب غیر منشوری با سیلاب دشت های همگرا با توجه به تغییر هندسه و انتقال جرم از سیلاب دشت ها به کانال اصلی و برخورد آن با جریان موجود در کانال اصلی سبب تبادل اندازه حرکت و به دنبال آن افزایش سرعت جریان در کانال اصلی می شود. در این تحقیق بر مبنای معادلات ناویه – استوکس و مدل آشفتگی ، میدان جریان در کانال های مرکب با سیلاب دشت هایغیرمنشوریشبیه سازیشده است، نرم افزار بکار رفته ANSYS-CFX می باشد. بدین منظور دو کانال مرکب غیرمنشوری با سیلاب دشت های همگرا از عرض 400 میلی متر به 0 میلی متر در طول 6 متر و 2 متر انتخاب و توزیع سرعت متوسط در عمق، توزیع سرعت و تنش برشی مرزی در آن هاشبیه سازیشده است. نتایج به دست آمده در این مرحله جهت اعتبارسنجی با داده های آزمایشگاهی مقایسه شده است. مقایسه منحنی هایسرعت متوسط در عمق، توزیع سرعت، توزیع تنش برشی مرزی نشان می دهد که نتایج حاصل از شبیه سازی عددی با مقادیر اندازه گیری شده دارای تطابق قابل قبولی می باشد.