دانشگاه آزاد اسلامی

واحد رودهن

دانشکده فنی مهندسی ˓گروه مهندسی عمران

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد<<مهندسی عمران- سازه های هیدرولیکی>>

عنوان :

­ چگونگی شکل ­گیری الگوی جریان و فرسایش در قوس رودخانه ­ها

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
فصل اول
 مقدمه
1-1-­ کلیات
تاریخ آبرسانی از روزگاری آغاز می گردد که بشر زندگی گروهی را برگزید. پس برای تأمین نیاز خود از آب، اولین شهرها را در کنار رودخانه‌هایی مانند نیل، دجله، فرات، سند ساخت. با رشد جمعیت و سکنی گزیدن در مکانهایی دور از رودخانه و همچنین نیاز به آب برای مقاصد کشاورزی، شرب و بهره گیری در صنعت و …، بشر به فکر جابجا کردن و انتقال آب افتاد. در کنار مسأله انتقال آب، همواره مشکل رسوبات وارده به کانال­ها و سیستم­های انتقال نیز وجود داشته می باشد، زیرا سرعت جریان در محدوده­ی این سازه‌ها در مقایسه با رودخانه­ی اصلی کاهش می‌یابد و به منطقه­ی بسیار مناسبی برای ته‌نشینی رسوبات تبدیل می گردد. با گذشت زمان کم‌کم دهانه آبگیر از رسوبات پر شده و باعث بروز معضلات بهره‌برداری از این تأسیسات خواهد گردید.
 در این راستا اولین ایده‌ای که به ذهن می‌رسد بهره گیری از سیستم لایروبی و تخلیه رسوبات از سیستم خواهد بود که هزینه‌های بالایی را در بر خواهد داشت و بهمین دلیل بهتر می باشد رسوبات ورودی به آبگیر حداقل گردد تا معضلات و تبعات حاصل از آن نیز کاهش یابد. از این رو بشر از زمانهای قدیم و همزمان با بهره گیری از آب رودخانه، به دنبال راههای تقلیل ورود رسوبات به سیستم و نیز افزایش راندمان آبگیری بوده می باشد. بهره گیری از سازه‌های انحراف و دفع رسوب، طراحی شکل آبگیر و جانمایی آن در قوس خارجی خم، نمونه بارزی از اینگونه اقدامات بشمار می‌آیند. آبگیری از قوس خارجی رودخانه‌ها بدلیل کاهش ورود رسوبات به آبگیر همواره مورد توجه محققین قرار داشته می باشد. عدم کنترل رسوب ورودی به آبگیرها در مسیرهای مستقیم و قوسی باعث انتقال رسوبات به داخل کانال­های آبیاری و تاسیسات شده و مشکلاتی را برای قسمت­های مختلف به وجودمی­آورد. ذرات معلق در آب در صورتی که سرعت زیادی داشته باشند، خسارات زیای را به تاسیسات بکار رفته مثل پمپ و توربین وارد می­کنند. نمونه­ای از این معضلات را   می­توان در دهانه آبگیر واقع در رودخانه Ohio در شکل 1-1 نظاره نمود که با تجمع رسوبات در   دهانه­ی آبگیر عرض دهانه کاهش یافته و منجر به کاهش دبی آبگیری می­گردد.
به گونه کلی قوس خارجی رودخانه محل مناسبی برای آبگیری انتخاب می­گردد.  علت این امر، تأثیر جریان حلزونی در کنترل رسوب ورودی به آبگیر می­باشد که در ادامه مکانیسم تشکیل جریان حلزونی تبیین داده می­گردد. در مطالعه روی آبگیری از قوس رودخانه­ها سه پارامتر موقعیت آبگیری، زاویه آبگیر نسبت به جهت جریان و نسبت دبی آبگیری مانند پارامترهای مهم در کاهش رسوب ورودی به آبگیر مهم می باشد. برای بهره­برداری کامل از مزیت خم، موقعیت آبگیر بایستی در مقطعی که جریان حلزونی به توسعه یافتگی کامل می­رسد قرار گیرد. انتخاب زاویه مناسب آبگیر باعث می­گردد که جریان با کمترین اغتشاش و بدون پدیده جدائی وارد آبگیر گردد. همچنین هر چه سرعت ورودی و به بیانی دیگر نسبت انحراف بیشتر گردد، اغتشاشات ناشی از جریان باعث اتلاف بیشتر انرژی جریان ورودی و نیز انتقال رسوبات کف به آبگیر خواهد گردید.
1-2-­ چگونگی شکل­گیری الگوی جریان و فرسایش در قوس رودخانه­ها
جریان در مجاری هیدرولیکی دارای طبیعت سه بعدی بوده و علاوه بر جهت غالب، که همان جهت اصلی[1]نامیده می­گردد، در جهات دیگر نیز هست. این جریان­ها که در داخل مقطع عرضی رخ می­دهند به جریان­های ثانویه موسوم هستند. در منابع مختلف، محققین از این نوع جریان، علاوه بر جریان ثانویه، با نام­هایی زیرا حرکت ثانویه، چرخش ثانویه، جریان عرضی، چرخش عرضی، جریان مقطعی و … نام برده­اند.  
    سیرای در سال 1976 تعریفی نسبتا کاربردی برای جریان ثانویه ارائه داده می باشد ]1[: اگر در یک جریان سه بعدی، اندازه یک بردار تشکیل شده از تعادل دو مولفه از بردار سرعت محلی، در مقایسه با مولفه سوم کوچک باشد، بردار سرعت اخیر (بردار سوم)، جریان اصلی در کانال را تشکیل می­دهد و دو مولفه قبلی جریان­های ثانویه را تشکیل می­دهند.
پرانتل جریان ثانویه را برحسب نوع نیروهای به وجودآورنده آن به دو دسته کلی تقسیم می­کند ]2[:

  • جریان ثانویه ناشی از آشفتگی
  • جریان ثانویه ناشی از فشار

وی جریان ثانویه ناشی از آشفتگی را به خاطر وجود اختلاف تنش­های آشفتگی در مجاری با مقاطع غیردایروی می­داند و قدرت آنها را در حدود 5 تا 10 درصد قدرت جریان طولی ذکر می­کند. ایشان عامل شکل­دهنده جریان ثانویه ناشی از فشار را نیز، نیروی گریز از مرکز معرفی می­کند که از طریق ایجاد شیب جانبی در سطح آب، باعث ایجاد اختلاف فشار بین دیواره داخلی و خارجی می­گردد و قدرت این نوع جریان ثانویه را در حدود20 تا 30 درصد قدرت جریان طولی عنوان کرده­ می باشد.
رزوفسکی ]3[ در سال 1957 توضیحی ریاضی برای چگونگی شکل­گیری جریان ثانویه ناشی از فشار ارائه داده می باشد. وی با درنظر گرفتن یک حجم کنترل در فاصله Z از بستر کانال که در امتداد مسیری به شعاع ثابت، حرکت می­کنند (شکل2-1)، نشان داد که با صرف نظرکردن از نیروی اصطکاک، با تعادل تمام نیروهای وارد بر حجم کنترل، ارتباط زیر برای محاسبه شیب عرضی سطح آب به دست خواهد آمد:

شکل 1-2 طرحی از شیب عرضی سطح آب و جریان چرخشی شکل گرفته در بازه قوسی شکل کانال]3[
پس این­گونه می­توان­ عنوان نمود که با ورود جریان به قوس، نیروی گریز از مرکز بر آن اثر می­کند که این نیرو در راستای شعاع قوس و نیز در جهت عمق بخاطر تغییرات سرعت، متغیر می­باشد. نیروی گریز از مرکز موجود در خم باعث ایجاد شیب عرضی در سطح آب می­گردد که سطح آب را در قوس بیرونی بالا برده و در قوس داخلی باعث کاهش عمق می­گردد. این پدیده باعث ایجاد گرادیان فشار جانبی در داخل مقطع خواهد گردید. حال هرگاه گرادیان فشار مزبور بر نیروی گریز از مرکز غلبه کند، جریانی در جهت عرضی داخل مقطع شکل می­گیرد که همان جریان ثانویه می­باشد. در اثر این جریان، ذرات موجود در سطح آب بطرف دیواره بیرونی حرکت کرده و ذرات سیال در کف بطرف دیواره داخلی جابجا می­شوند. در شکل 1-3 الگوی جریان ثانویه نشان داده شده می باشد علاوه براین در این شکل جریان ثانویه دیگری در نزدیک دیواره خارجی نیز هست. اگرچه این جریان ثانویه از قدرت چرخشی کمتری برخوردار می باشد اما عامل مهمی در فرسایش دیواره خارجی دارد.
 

در اثر اندرکنش جریان ثانویه با پروفیل غیریکنواخت سرعت طولی، الگوی جریان خاصی به نام جریان حلزونی تشکیل می­گردد که باعث تغییرات زیادی در الگوی جریان قوس نسبت به جریان در کانال مستقیم می­گردد، همچنین سبب می گردد که قوس خارجی فرسایش یافته و رسوبات به قوس داخلی منتقل گردد و در نتیجه خط‌القعر رودخانه بطرف قوس خارجی متمایل گردد. پس منطقی به نظر می‌رسد که آبگیری از ساحل خارجی خم رودخانه صورت پذیرد تا هم رسوبات کمتری به داخل دهانه آبگیر منحرف گردد و هم به علت افزایش عمق آب در این قسمت بتوان آب را در ترازهای بالاتری که رسوبات کمتری را با خود حمل می‌کنند، برداشت نمود. در شکل 1-4 این جریان نشان داده شده می باشد.
­ عوامل موثر بر الگوی جریان در کانال قوسی
در یک کانال قوسی شکل، عوامل موثر بر الگوی جریان می­توانند به صورت پارامترهای زیر معرفی شوند ]3[:

  • زاویه مرکزی قوس.
  • نسبت شعاع انحنای مرکزی به عرض مقطع جریان.
  • نسبت عرض مقطع جریان به عمق جریان.
  • زبری بستر کانال و جداره­های آن.
  • شرایط جریان ورودی در بالادست کانال.

در کانال­های غیر مستقیم، رژیم جریان ورودی تاثیر بسزایی بر الگوی جریان دارد. در حالت کلی در جریان­های زیر بحرانی، سطح آب حالت صاف داشته و بربلندی جانبی ملایمی دارد، در حالی که در جریان­های فوق بحرانی، سطح آب دارای امواج جانبی بوده و بربلندی ایجاد شده بسیار بیشتر از حالت زیربحرانی می­باشد ]4[. در مطالعه جریان­های زیربحرانی جریان حلزونی تأثیر اصلی را داشته و اصطکاک تأثیر مهمی در شکل­گیری آن بازی می­کند. پس در تحلیل چنین جریان­هایی، عدد رینولدز به عنوان یک پارامتر مهم مطرح می­باشد. برای حالت فوق بحرانی، هدف اصلی از پژوهش، مطالعه مکانیسم امواج جانبی می­باشد. این امواج نشانگر تاثیر مستقیم ثقل بر سطح آب بوده و در نتیجه، پارامتر اصلی در تحلیل چنین جریان­هایی عدد فرود جریان ورودی می­باشد. در بین پارامترهای فوق، نسبت شعاع انحنای مرکزی به عرض مقطع جریان در شکل­گیری الگوی جریان بسیار مهم بوده و در حالت کلی با در نظر داشتن مقدار این پارامتر، می­توان قوس­ها را به دو دسته زیر تقسیم­بندی نمود ]3[:
جدول 1-1 تقسیم­بندی قوس­ها بر اساس نسبت شعاع انحنا به عرض مقطع کانال.

نوع قوس نسبت شعاع انحنای مرکزی به عرض مقطع جریان
تند کوچکتر از 3
ملایم بزرگ­تر از 3

1-4-­ الگوی جریان در آبگیری از مسیر مستقیم
وضعیت شماتیک جریان در یک آبگیر که با زاویه 90 درجه در یک مسیر مستقیم نصب شده می باشد، توسط نیری و همکاران در شکل1-5 ارائه شده می باشد. همانگونه که در این شکل نظاره می گردد الگوی جریان ناشی از احداث آبگیر جانبی جهت انشعاب آب رودخانه دارای خصوصیات پیچیده­ای بوده و کاملا سه بعدی می­باشد. با نزدیک شدن جریان به آبگیر بخاطر فشار مکشی اعمالی از طرف کانال جانبی، جریان در جهت عرضی شتاب گرفته و به دو قسمت تقسیم می­گردد. قسمتی وارد آبگیر شده و مابقی در کانال اصلی پایین­ دست جریان می‌یابد. قسمتی که وارد کانال انشعاب می­گردد، توسط صفحه برشی خمیده­ای معین می گردد که به صفحه تقسیم­کننده جریان معروف می باشد. جریانی که وارد آبگیر می گردد، دارای مومنتم شدیدی در جهت کانال اصلی بوده و به همین علت داخل آبگیر، جدایی جریان اتفاق می افتد (ناحیه A در شکل1-5). بخاطر وجود گرادیان فشار جانبی، تنش برشی بستر و نیروی جانب مرکز ناشی از انحناء خطوط جریان، جریان ورودی به آبگیر دچار عدم تعادل شده و همین پدیده باعث ایجاد جریان ثانویه­ای در طول آبگیر می گردد که مکانیسم تشکیل آن شبیه مکانیسم تشکیل جریان حلزونی در قوس­ها می‌باشد، بطوریکه صفحه برشی مزبور به عنوان دیواره بیرونی اقدام کرده و ناحیه قوسی شکل ایجاد شده توسط قسمت چرخشی داخل آبگیر (ناحیه A در شکل1-5)، دیواره داخلی قوس مزبور را تشکیل می‌دهد. پس از آنکه رسوبات مجاور کف به داخل آبگیر منتقل گردیدند، جریان ثانویه رسوبات را به داخل منطقه با چرخش کم (ناحیه A)، یعنی جایی که جریان از دیواره بالادست آبگیر جدا شده هدایت می کند. رسوبات با وجود سرعت‌های کم نمی‌توانند از منطقه جداشدگی منتقل شوند، در نتیجه امکان ته‌نشینی رسوبات و انسداد مسیر جریان به وجود می آید ]5[.
شکل 1-5 الگوی جریان در یک انشعاب از مسیر مستقیم ]5[
در آبگیری از مسیر مستقیم با مقطع مستطیلی، مقدار عرض صفحه تقسیم جریان در کف بیشتر از از مقدار عرض صفحه تقسیم جریان جریان در سطح می­باشد. انحنادار بودن سطح تقسیم جریان باعث می­گردد در جریان منحرف شده به سمت آبگیر یک عدم تعادل بین گرادیان فشار جانبی، نیروی گریز از مرکز و نیروی برشی ایجاد شده که باعث تشکیل یک جریان ثانویه در جهت عقربه­های ساعت می­گردد. چنین جریانی در کنار دیواره کانال اصلی نیز شکل می­گیرد. با پیشروی به سوی پایین­دست به خاطر ویسکوزیته جریان قدرت این جریان ثانویه کاهش می­یابد. اندازه سطح تقسیم جریان در کانال اصلی اندازه دبی انتقالی به کانال فرعی را تعیین می­کند. عرض جریان انحرافی یا صفحه تقسیم جریان در هر سطح جریان، فاصله دیواره کانال اصلی طرف آبگیر تا خطوط جریان منتهی به نقطه ایستائی نزدیک به گوشه پایین دست تقاطع آبگیر و کانال اصلی تعریف می­گردد ]6[.
1-5-­ الگوی جریان در آبگیری از قوس
بارزترین تفاوت الگوی جریان در دهانه­ی آبگیر موقعیت خطوط تقسیم جریان در صفحات نزدیک بستر و سطح آب می­باشد. براساس نتایج آزمایشگاهی منتصری و همکاران ]7[ برخلاف آبگیری از مسیر مستقیم، عرض صفحه تقسیم جریان در سطح بیشتر از کف می باشد که دلیل آن وجود جریان حلزونی در قوس می­باشد همان­گونه که در شکل 1-6 مشخص شده می باشد. نکته قابل توجهی که در شکل نظاره می­گردد این می باشد که عرض صفحه تقسیم جریان از کف به سمت سطح آب آغاز افزایش یافته و دوباره نزدیک سطح کاهش می­یابد. دلیل این کاهش نیز تفاوت تنش برشی بین لایه­های سیال و لایه سطحی با هواست. پیرستانی ]8[ و صفرزاده ]9[ نیز در مطالعات خود، افزایش عرض صفحه تقسیم جریان در سطح نسبت به کف را گزارش نموده­اند اما به کاهش آن در لایه­های سطحی تصریح نکرده­اند.

 شکل 1-6 الگوی جریان در یک انشعاب از مسیر قوسی]7[

1-6-­ ضرورت انجام پژوهش
همانگونه که قبلا گفته گردید، از دیرباز مساله­ی آبگیری از رودخانه‌ها مطرح بوده می باشد و مهمترین مساله برای طراحان برداشت آب با حداقل رسوبات از رودخانه بوده می باشد و آبگیری از قوس یکی از روش­های پیشنهاد شده می­باشد که نسبت به سایر روش­ها هزینه­ی کمتر و پربازده­تر می­باشد. حال نکته مهم که مطرح می­گردد این می باشد که کدام قسمت از یک قوس، محل مناسبتری برای آبگیری می باشد و آبگیری تحت چه زاویه­ای باشد که مناسب­ترین حالت را به وجودآورد؟ پر واضح می باشد که جواب دادن به سئوال فوق راحت نبوده و شرایط و پارامترهای زیادی در تعیین محل و زاویه مناسب آبگیری در یک قوس رودخانه دخیل هستند. همچنین شناخت مکانیسم­های ورود رسوبات به آبگیر در طراحی بهتر ان سازه­ها بسیار ضروری می باشد بالطبع قبل از اینکه مساله انتقال رسوب در چنین میدان پیچیده­ای مطرح گردد، لازم می باشد تا الگوی جریان در آن بطور کامل شناخته گردد. و در ادامه به مطالعه توپوگرافی بستر در کانال قوسی و مکانیسم ورود رسوبات به آبگیر مطالعه می­گردد. همچنین مدل­های فیزیکی به دلیل پیچیدگی الگوی جریان و تاثیرات ناشی از مقیاس، به تنهایی قادر به ارائه درک روشنی از فیزیک حاکم بر مسئله نمی­باشند پس بهره گیری از مدل­های عددی در کنار مطالعات صحرایی و آزمایشگاهی امری صد در صد می­باشد.
در این پایان نامه با بهره گیری از مدل عددی SSIIM2 که توانایی فوق­العاده­ای در شبیه‌سازی الگوی رسوب دارد که کمتر مدل عددی دیگر فاقد این توانایی می­باشد. در آغاز الگوی جریان در مدل شبیه­سازی و نتایج حاصل کالیبره و صحت­سنجی گردد و در انتها به شبیه­سازی مکانیسم حرکت رسوب که مزیت اصلی این مدل عددی می­باشد پرداخت شده می باشد.
1-7- اهداف
پژوهش انجام شده به مقصود رسیدن به اهداف زیر انجام می­گردد:

  • مطالعه قابلیت مدل SSIIM2 در شبیه­سازی میدان جریان در کانال قوسی و الگوی جریان در اطراف دهانه آبگیر در کانال قوسی.
  • تعیین بهترین موقعیت و زاویه آبگیر در کانال قوسی.
  • مطالعه مکانیسم شکل­گیری توپوگرافی بستر در کانال قوسی در حالت تزریق رسوب برروی بستر صلب و مکانیسم ورود رسوب به آبگیر.
  • مطالعه تاثیر دبی آبگیری بر مکانیسم ورود رسوبات به آبگیر

1-8- روش انجام پژوهش
مراحل انجام شبیه­سازی الگوی جریان و رسوب با بهره گیری از مدل عددی SSIIM به تبیین زیر می باشد:

  • مش­بندی کانال قوسی 180 درجه، برای نیل به این مقصود با نوشتن برنامه­ای در نرم­افزار Excel مختصات تک­تک گره­های میدان حل براساس هندسه موجود و در نظر گرفتن تعداد مش­های لازم در جهات مختلف و ریزشدگی مش­ها در نزدیک دیواره­ها را بدست ­آورده گردد.
  • انتقال مختصات گره­ها به مدل SSIIM1، مدل SSIIM1 شامل دو فایل کمکی به نام control و koordina می­باشد که در فایل control با نوشتن کدهای مورد نیاز شرایط مرزی، دانه­بندی رسوبات کف، ارتفاع آب و الگوریتم­های حل، برای نرم­افزار تعریف می­گردد و مختصات گره­ها در فایلkoordina داده می­گردد.
  • انتقال شبکه ایجاد شده در SSIIM1 به SSIIM2.
  • کالیبراسیون و صحت نتایج حاصل از مدل عددی با در نظر داشتن نتایج آزمایشگاهی.
  • نتایج حاصل از مدل SSIIM2 را در نرم­افزار Tecplot رسم می­گردد و به تحلیل شبکه جریان و رسوب پرداخته شده می باشد.
  • ارائه ارتباط ریاضی برای ابعاد صفحه تقسیم جریان

تعداد صفحه : 110
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   سمینار ارشد رشته عمران سازه های هیدرولیکی: بررسی آزمایشگاهی برخی از پارامترهای هندسی هیدرولیکی

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

پشتیبانی سایت :        ****       serderehi@gmail.com

دسته‌ها: عمران