هیدرولیک
سال:1403 | دوره:19 | شماره:2 |تعداد مقالات:8

در این پژوهش، یک روش عددی با دقت مرتبه دو برای حل معادله های یک بعدی آب کم عمق با وجود جملات چشمه ناشی از تغییرات بستر توسعه داده شده است. برای حل عددی این معادله ها حفظ وضعیت های دائمی جریان بدور از نوسانات غیرفیزیکی اهمیت اساسی دارد چرا که بیشتر شبیه سازی های کاربردی از معادله های آب کم عمق شامل اغتشاش های جزئی از این وضعیت های دائمی هستند. در سال های اخیر تکنیک های متعدی برای حفظ جریان های دائمی پیشنهاد شده است. با این حال اکثر این روش ها قادر به حفظ تمام وضعیت دائمی نیستند و روش هایی هم که چنین ویژگی دارند حداکثر از مرتبه یک دقت می باشند. در این مقاله یک روش مرتبه دو که قادر به حفظ تمام وضعیت های دائمی است توسعه داده شد. آزمایش های متنوعی برای صحت سنجی روش پیشنهادی در شبیه سازی جریان های دائمی انجام شد. نتایج عددی نشان داد که روش عددی پیشنهادی قادر به حفظ تمام وضعیت های دائمی جریان است. روش مرتبه دو پیشنهادی همچنین از دقت بهتری به نسبت حل گرهای تخمینی مرتبه یک برای شبیه سازی جریان های شبه دائمی و غیر دائمی برخوردار می باشد.

آبشستگی بیش از حد در هنگام سیلاب به عنوان تهدیدی برای پایداری سازه های واقع در بستر فرسایش پذیر به شمار می رود. در این تحقیق به بررسی آبشستگی پیرامون پایه استوانه ای در شرایط جریان غیرماندگار با شبیه سازی هیدروگراف های مختلف سیلاب پرداخته شد. اثرات شاخه های خیزان و افتان هیدروگراف و همچنین زمان تداوم هیدروگراف بر روی توسعه زمانی عمق آبشستگی و حداکثر عمق آن مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد برای هیدروگراف های با دبی پیک و زمان تداوم مشابه، زمان شاخه خیزان هیدروگراف بر روی توسعه زمانی تنش برشی و عمق آبشستگی به شدت تاثیرگذار است اما روی حداکثر عمق آبشستگی تاثیر ناچیزی دارد. علاوه بر این مشخص شد با کاهش زمان شاخه خیزان، اثرگذاری شاخه افتان هیدروگراف بر روی حداکثر عمق آبشستگی افزایش می یابد. بررسی نتایج اثر زمان تداوم هیدروگرف بر آبشستگی موضعی نشان داد با افزایش زمان تداوم هیدروگرف از 10 دقیقه به 160 دقیقه حداکثر عمق آبشستگی 69/44 درصد افزایش و شیب تغییرات زمانی عمق آبشستگی کاهش می یابد.

افزایش جمعیت در مناطق شهری و وقوع روزافزون سیلاب های شهری نیازمند ارزیابی دقیق تر برای درک بهتر فرآیندهای هیدرولیکی غالب خطر سیل می باشد. در تحقیق حاضر با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی به بررسی تاثیر تغییرات دبی جریان ورودی بر ویژگی های سیل در یک بلوک شهری پرداخته شده است. مدلسازی ها در شرایط جریان پایدار، با استفاده از 7 دبی جریان در ورودی ها با هندسه ثابت بلوک شهری انجام شد. نتایج اعتبارسنجی مدل عددی نشان داد که مدل آشفتگی پروفیل سرعت نزدیک سطح آب و سرعت متوسط گیری شده در عمق را با خطای نسبی 3 و 8/6 درصد نسبت به مدل آزمایشگاهی، دارای همبستگی بیشتری نسبت به سایر مدل های آشفتگی بود. در تمامی مدل ها خیابان راست و بالا دست به ترتیب دارای بیشترین و کمترین میزان عمق، سرعت و عدد پایداری انسان بودند. این در حالی است که خیابان پایین دست با اختلاف 2 تا 3 برابری سرعت متوسط و دارا بودن 3 الی 4 ناحیه خطر برای عابران پیاده دارای بیشترین طیف گستردگی در میزان پارامترهای سیلاب می باشد. همچنین افزایش دبی در ورودی 1 به ازای دبی ثابت در ورودی 2، باعث افزایش ویژگی های سیلابی خیابان های راست و پایین دست و افزایش عمق و کاهش سرعت در خیابان چپ می-گردد. این در حالی است که افزایش دبی ورودی 2 به ازای دبی ثابت در ورودی 1، باعث افزایش ویژگی های سیلابی خیابان چپ و افزایش عمق و کاهش سرعت در خیابان ها راست و پایین دست می گردد. لازم به ذکر است تغییرات دبی در هر دو ورودی تاثیر چندانی بر روی ویژگی های سیلابی خیابان بالا دست ندارد.

محاسبه ی گرادیان هیدرولیکی در تحلیل جریان ماندگار درون مصالح سنگریزه ای اهمیت بالایی دارد. برای محاسبه ی گرادیان هیدرولیکی بر اساس سرعت جریان غیردارسی از روابط دوجمله ای و نمایی استفاده می شود که رابطه ی دوجمله ای نسبت به نمایی از دقت و کارایی بالاتری برخوردار است. از آنجا که در تحلیل دو بُعدی جریان غیردارسی در محیط های متخلخل درشت استفاده از رابطه ی نمایی ضرورت دارد، محققین در گذشته روابطی را جهت محاسبه ی ضرایب m و n رابطه ی نمایی بر اساس ضرایب a و b رابطه ی دو جمله ای ارائه داده اند. در برخی از پژوهش های قبلی Vmax=1 در نظر گرفته شده است، این در حالی است که حداکثر سرعت جریان به خصوصیات فیزیکی سنگریزه ها و ویژگی های جریان بستگی داشته و لزوماً معادل واحد نیست. در پژوهش حاضر محاسبه ی سرعت حداکثر بر مبنای مقادیر a و b و Re مدل تحلیلی احمد و سونادا پیشنهاد شده است. نتایج نشان می دهد که برای محاسبه ی ضرایب m و n رابطه ی نمایی با استفاده از ضرایب a و b و با فرض Vmax=1، اختلاف بین متوسط میانگین خطای نسبی گرادیان هیدرولیکی محاسباتی و ثبت شده در آزمایشگاه برای مصالح ریز، متوسط و درشت به ترتیب برابر با 95/21، 98/22 و 97/21 درصد به دست آمده است. در حالی که بر مبنای رابطه ی پیشنهادی، مقادیر میانگین خطای نسبی در مصالح ریز، متوسط و درشت به ترتیب برابر با 39/11، 69/14 و 72/19 درصد محاسبه شده است. به بیان دیگر، راهکار پیشنهادی باعث افزایش دقت محاسبه ی گرادیان هیدرولیکی با استفاده از مقادیر a و b، در برآورد ضرایب m و n شده است.

چکیده: رودخانه ها، سیستم های پیچیده ای هستند که انواع فرایندهای شیمیایی، بیولوژیکی و فیزیکی در آنها رخ می دهد. تبادل هایپریک عبارت است از اختلاط جریان سطحی و جریان زیرسطحی در محیط متخلخلی که زیر و اطراف مجاری گذر آب را احاطه کرده است. چنین تبادلاتی می تواند بر اثر وجود فرم های مختلف بستر در رودخانه ایجاد شود. تلماسه ها از انواع شکل بستر رودخانه هستند که در رودخانه های مستقیم، مارپیچی و شریانی یافت می شود. اختلاف فشار دو طرف تلماسه به ایجاد تبادلات هایپریک منجر می شود که طول موج، دامنه و شیب وجه های پائین رونده و بالارونده آن می تواند بر میزان تبادلات هایپریک تأثیرگذار باشد. در این تحقیق به بررسی اثر شیب پائین دست تلماسه در زوایای 10، 20 و 30 درجه، بر روی مشخصات ناحیه هایپریک (شامل زمان ماند، دبی تبادلی و عمق نفوذپذیری هایپریک)، پرداخته شده است. همچنین تأثیر هدایت هیدرولیکی، سرعت جریان زیرسطحی و ضخامت بستر رسوبی بر عمق تبادلات هایپریک مورد بررسی قرار گرفته است. برای شبیه سازی عددی جریان سطحی از نرم افزار FLOW3D استفاده شد، شبیه سازی شامل بازه ای از یک کانال به طول7/2 متر، عرض1/0 متر و ارتفاع 3/0 متر می باشد. پس از حل جریان سطحی، فشارهای روی سطح فرم بستر بعنوان شرط مرزی دریشلت به مدل آب زیرزمینی MODFLOW معرفی شد. نتایج نشان می دهد با افزایش شیب، زمان ماندگاری و دبی تبادلی افزایش و عمق تبادلات هایپریک کاهش یافته است. همچنین با افزایش هدایت هیدرولیکی عمق تبادلات هایپریک افزایش ولی با افزایش سرعت جریان زیرسطحی و ضخامت بستر رسوبی عمق تبادلات هایپریک کاهش پیدا می کند.

در بررسی رفتار رودخانه ها یک چالش مهم، تعیین دقیق ابعاد هندسی زبری بستر رودخانه هاست. پردازش تصویر روش جدیدی است که به منظور افزایش سرعت و دقت مورد توجه قرار گرفته است. در این تحقیق تاثیر عمق و سرعت جریان بر نتایج دانه بندی و شکل ذرات رسوبات سطحی بستر رودخانه های شنی با استفاده از پردازش تصویر ارزیابی گردید. سه مقطع جهت نمونه برداری با ابعاد قاب 20×20 سانتی متر از بستر رودخانه زنجانرود تعیین و پس از عکس برداری از سطح رسوبات، رسوبات نمونه ها جمع آوری و با روش الک دانه بندی شد. در آزمایشگاه، نمونه ها داخل قاب فلزی با همان ابعاد چیده در کانالی به طول 8 متر و عرض 20 سانتی متر نصب شد. با اعمال شرایط آب ساکن و جریان آب با عمق و سرعت های مختلف، عکس برداری مجدد از نمونه ها صورت و نتایج توسط نرم افزار Image J و Hydraulic Toolbox پردازش گردید. مقایسه نتایج منحنی های دانه بندی دو نرم افزار نشان دهنده عملکرد بهتر نرم افزار Image J در مقایسه با نرم افزار Hydraulic Toolbox می باشد. مطابق نتایج، عمق و سرعت جریان تاثیر محسوسی روی نسبت مقادیر قطرهای شاخص منحنی الک به قطرهای شاخص حاصل از نرم افزار Image J (ضریب K) ندارد، بطوریکه میانگین K در قطر شاخص 50% در سه نمونه A، B و C به ترتیب برابر با 046/1، 16/1 و 1/1 بدست آمد. نتایج فاکتور شکل نشان داد از دید قائم، در نمونه A 88% ذرات مستطیلی و 12% ذرات، بیضی شکل هستند. در نمونه B 78% ذرات مستطیلی و 22% ذرات بیضوی و در نمونه C 80% ذرات مستطیلی و 20% ذرات، بیضی شکل هستند.

هیدروسیکلون دستگاهی است که با استفاده از نیروی گریز از مرکز به جداسازی فاز جامد از فاز مایع پرداخته و به علت سهولت بهره برداری و ارزان بودن، در صنایع مختلف کاربرد دارد. اخیراً استفاده از هیدروسیکلون ها جهت تصفیه پساب کارخانه های سنگبری که اکثراً در مناطق خشک و کویری کشور واقع اند، رو به افزایش است. لذا شناخت عوامل موثر بر افزایش بازده تصفیه (جداسازی ذرات جامد پودر سنگ از پساب کارخانه سنگبری) از اهمیت بالایی برخوردار است. در مطالعه حاضر تاثیر پارامترهای هیدرولیکی نظیر نسبت تقسیم جریان(دبی ته ریز به دبی ورودی)، غلظت وزنی پساب و فشار ورودی، بر عملکرد هیدروسیکلونی به قطر140میلی متر در جداسازی پودر سنگ های گرانیت و مرمریت با چگالی 2750 و3020 کیلوگرم بر مترمکعب مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش ها توسط نرم افزار Design Expert نسخه 10 با روش سطح پاسخ طراحی شدند، بازده جداسازی ذرات پودرسنگ از پساب به عنوان پاسخ و پارامترهای فشار ورودی، غلظت وزنی پساب و نسبت تقسیم جریان، به عنوان متغیر انتخاب شدند. سپس تحت شرایط آزمایشگاهی فشار 3 تا 6/4 بار، غلظت وزنی پساب 64/0 تا 36/7 درصد و نسبت تقسیم جریان 5 تا 3/58 درصد، آزمایش های طراحی شده مورد بررسی قرار گرفتند. در نهایت نتایج آزمایشگاهی تحت روش طراحی مرکب مرکزی مورد تحلیل آماری قرار گرفتند. نتایج نشان داد بازده جداسازی با نسبت تقسیم جریان، فشار ورودی و غلظت وزنی پساب نسبت عکس دارد. بیشترین بازده جداسازی ذرات، برای پساب پودر سنگ گرانیت 86 درصد و برای پساب پودر سنگ مرمریت، 88 درصد، به دست آمد.

در زمان سیلاب معمولاً مقطع اصلی رودخانه پر شده و آب وارد دشت های سیلابی می شود. در این شرایط رودخانه به شکل مقطع مرکب ظاهر می شود. بعضی از رودخانه ها بر حسب شرایط هندسی و ارتفاعی ممکن است بیش از یک دشت سیلاب در طرفین مقطع اصلی داشته باشند که به این مقاطع، کانال مرکب چند سیلابدشتی گفته می شود. این کانال ها ظرفیت انتقال دبی جریان بیشتری از کانالهای ساده و مرکب دارند. در این مقاله با استفاده از توسعه یک مدل سه بعدی در محیط برنامه C به کمک حل عددی معادلات ناویر-استوکس به روش حجم محدود و الگوی کوییک، جنبه های هیدرولیکی متفاوتی از این مقاطع شامل الگوی سه بعدی جریان، توزیع عرضی سرعت، جریان های ثانویه، انرژی آشفتگی و نیز رابطه دبی-اشل مدل سازی شده است. برای واسنجی این مدل ریاضی از داده های آزمایشگاهی Singh (2021) در یک کانال با مقطع مرکب مستطیلی سه پله ای نامتقارن استفاده شد. مقایسه کانتورهای هم سرعت محاسباتی و مشاهداتی نشان داد که در هر دو حالت، حداکثر سرعت جریان در میانه مقطع اصلی و متمایل به جداره سمت راست آن، در فاصله ای دورتر از کف کانال و نزدیک به سطح آب رخ داده است. دقت نتایج محاسباتی پروفیل عرضی مولفه سرعت در جهت جریان در مقطع اصلی و سیلابدشت ها (به ویژه سیلابدشت دوم) قابل قبول است، اما در محدوده مرز تماس مقطع اصلی با سیلابدشت اول خطای مدل سازی نسبتاً زیاد است. مدل سازی رابطه دبی-اشل این کانال به کمک مدل ریاضی دارای خطای متوسط حدود 9/3 درصد و حداکثر خطای 2/6 درصد می باشد.