چکیده: لوله های نیمه پر اگرچه مشابه کانال ها و رودخانه ها دارای سطح آزاد آب هستند اما به دلیل هندسه کف، پیچیدگی های بیشتری دارند. این مقاطع در مجاری فاضلاب و نیز کالورت های زیرگذر جاده ای به فراوانی مشاهده می شوند. در مجاری فاضلابرو، برای اطمینان از عدم وقوع پدیده رسوبگذاری، باید الگوی جریان و یا مقادیر حداقل سرعت بر اساس قطر ذرات رسوب ورودی مشخص باشند. در کالورت های لوله ای هم که ماهی از درون آنها عبور می کند، برای راحتی تردد ماهی ها، باید سرعت های جریان در حدمشخصی کم باشد. بنابراین لازم است محدوده سرعت های کم جریان در مجاری فاضلاب و کالورت ها تعیین شود. برای شبیه سازی توزیع سرعت در مجاری دایره ای، تاکنون از نرم افزارهای سه بعدی دینامیک سیالات محاسباتی استفاده شده است. این مدل ها با محدودیت های مهمی مثل پیچیدگی روش حل و زمان طولانی اجرای مدل مواجه هستند. در این تحقیق از ایده جدید کاربرد مدل ریاضی شبه دوبعدی Shiono and Knight برای حل جریان در لوله های نیمه پر استفاده شده است. ابتدا به کمک داده های آزمایشگاهی Knight and Sterling (2000)، ضرایب این مدل (ضریب اصطکاک دارسی-ویسباخ، ضریب لزجت گردابه ای و ضریب جریان های ثانویه) واسنجی شده و سپس برای شبیه سازی توزیع عرضی سرعت مورد استفاده قرار گرفت. نتایج کاربرد این مدل به ازاء عمق های مختلف جریان نشان داد که پروفیل های عرضی سرعت محاسباتی با پروفیل های اندازه گیری شده در لوله مطابقت مناسبی داشته و مقادیر سرعت های حداقل، حداکثر و متوسط را به خوبی برآورد نموده است. حداکثر خطای مطلق دبی جریان محاسباتی حدود 7/5 درصد و متوسط خطای مطلق نیز حدود 6/3 درصد می باشد.

بتن پارچه ای محصولی منحصربه فرد با سرعت اجرای بالا بوده که قابلیت جایگزینی با رویه های سنتی بتنی را دارد. با توجه به پارامترهای مقاومت مکانیکی این محصول و دوام مناسب در برابر عوامل خورنده، یکی از کاربردهای نوین بتن پارچه ای استفاده از آن در پوشش کانال های آب است. در این تحقیق ابتدا جریان کانال های روباز تحت 9 سناریو شبیه سازی شده و در هر یک از حالات 3 رژیم مختلف جریان به همراه مدل سازی آشفتگی جریان با استفاده از نرم افزار flow-3d مورد بررسی قرارگرفته است. قسمت هایی از بتن پارچه ای نظیر اتصالات می تواند منجر به تولید آشفتگی و اعمال تنش های بحرانی نماید. ازاین رو با استفاده از نرم افزار ABAQUS اجزاء بتن پارچه ای و نواحی اتصال آن ها شبیه سازی و با اعمال نیروهای معادل سازی شده به سطح بتن و نواحی آسیب پذیر اتصال، میزان تنش های ایجادشده بررسی شده است. نتایج نشان می دهد تنش های ایجادشده در مقایسه با ظرفیت تنش بتن پارچه ای بسیار کم است. ماکزیمم تنش های برشی ایجادشده و همچنین ماکزیمم فشارهای هیدرو استاتیک به دست آمده نسبت به میزان مجاز بسیار پایین تر از تنش های تسلیم بتن پارچه ای است. به منظور صحت سنجی مطالعات هیدرولیک جریان و بتن از نتایج آزمایشگاهی متناظر استفاده شده است. با توجه بررسی اتصالات چسبی تحت بارهای وارده از سمت جریان کانال های روباز به سطح بتن پارچه ای، می توان نتیجه گرفت که تنش های ایجادشده چسب را به مرز آسیب نمی رساند. با توجه به مقاومت فشاری 40 مگا پاسکال، می توان نتیجه گرفت که در برابر فشارهای هیدرو استاتیک مقاومت لازم را داشته و لاینینگ تا 20 برابر نسبت به تنش های ایجادشده در کف و دیواره مقاوم تر است.

مدل سازی دقیق جریان های ثانویه در مسیر خم ها و پیچان رودها، اهمیت زیادی دارد. در پژوهش حاضر، با مدل سازی عددی در محیط نرم افزار اپنفوم، به بررسی ویژگی های هیدرولیکی جریان در یک کانال مرکب در مسیر پیچان رود پرداخته شده است. برای این منظور، معادلات حاکم، شامل رابطه های متوسط گیری شده ی رینولدزی (R A N S) حل شده اند. با وجود رفتار دوفازی جریان در کانال های باز، با انتخاب حل گر و شرایط مرزی مناسب برای سطح آب می توان آن ها را به صورت تک فاز مدل کرد. در پژوهش حاضر، از شرط مرزی تقارن برای سطح آزاد آب استفاده و برای مدل سازی جریان آشفته از مدل های آشفتگی $k-v a r e p s i l o n$ و $k-o m e g a$ استفاده شده است. طبق نتایج به دست آمده، با فاصله گرفتن از تاج خم، قدرت جریان عرضی افزایش می یابد؛ به طوری که یک گردابه ی هم جهت با جریان عرضی در محل گوشه ی ساحل بیرونی تشکیل می شود. این جریان عرضی تا ابتدای تاج خم بعدی ادامه می یابد و مجددا در طول موج بعدی به همین شکل تکرار می شود.

این مقاله کاربرد شبکه های عصبی مصنوعی را برای مدلسازی ضریب انتشار طولی که از مهمترین پارامترهای هیدرولیکی معادله دینامیکی پخش و انتشار است شرح می دهد. مقدار بدون بعد انتشار (Dl/HU*) بر اساس چهار پارامتر بدون بعد دیگر شامل زبری نسبی (ks/H)، نسبت عمق به عرض بالای جریان (H/W)، نسبت سرعت برشی به سرعت متوسط جریان (U*/U) و عدد رینولدز جریان (UH/v) مدلسازی شده است. 81 گروه اندازه گیری در رودخانه های کوچک و بزرگ موجود در منابع، جمع آوری و برای مدل شبکه عصبی مورد استفاده قرار گرفت. مدل نهایی پس از صحت یابی، با نتایج دو مدل منتشر شده در منابع مقایسه شد. نتیجه این مقایسه نشان داد که مدل شبکه عصبی می تواند تا حدود 14 درصد، ضریب انتشار طولی را دقیق تر برآورد کند.

به منظور بررسی ساختار جریان (flow structure) در کانال های روباز، در شرایط جریان یکنواخت، تنش برشی و توزیع آن مورد تحقیق قرار گرفته است. از آنجایی که توزیع تنش برشی در طول جداره کانالها و همچنین تاثیر شکل مقطع در میزان حمل رسوبات بسیار مهم است، توزیع تنش برشی در کانالهای با مقطع مختلف (مستطیلی، ذوزنقه ای، دایره ای و مقطع مستطیلی با کفv شکل) بررسی و مقایسه شده اند. برای اندازه گیری تنش برشی جداره از لوله پرستون  (Preston tube)به قطر داخلی 4.075 میلی متر استفاده شده است. نتایج داده های آزمایشگاهی نشان می دهند که توزیع تنش برشی در تمام مقاطع کانالها در شرایط جریان فوق بحرانی تغییراتی مشهود داشته ولی در حالت جریان زیر بحرانی توزیع ها بدون برآمدگی و نسبتا صاف هستند. نتایج حاصل همچنین نشان می دهد که شکل مقطع کانال و جریانهای ثانویه(secondary flows) در توزیع تنش برشی بسیار موثر بوده است. البته این تاثیر در جریان های زیر بحرانی و فوق بحرانی در کانالها متفاوت می نمایند. بدین منظور از آنالیز درصد سهم نیروی برشی دیواره کانال  (%SFw)استفاده گردیده است. براساس نتایج به دست آمده، نسبت محیط مرطوب بستر کانال به محیط مرطوب دیواره آن (P+ = Pb/Pw) پارامتر مناسبی برای معرفی%SFw می باشد. یک نتیجه جالب این است که مقدار متوسط ضریب ویسکوزیته گردابی (l) تابع دبی جریان در کانالها است، طوری که با افزایش دبی جریان از مقدار l کاسته می شود. این موضوع بایستی در مدل های کامپیوتری برای جریان در کانال های روباز مدنظر قرار گیرد.

اندازه­گیری سرعت در محدوده تلاقی کانال­های روباز از جنبه­های هیدرولیکی و زیست محیطی حائز اهمیت است. در این پژوهش با به­کارگیری داده­های آزمایشگاهی، به تخمین دقیق مؤلفه افقی سرعت در محدوده تلاقی کانال­های روباز با استفاده از مدل­های داده محور شامل ANN، ANFIS و GEP پرداخته شد. در مطالعه آزمایشگاهی مذکور، تأثیر شیب جانبی 45 درجه کانال اصلی بر میدان سرعت جریان در مقایسه با دیوار قائم بررسی شد. تعداد نقاط اندازه­گیری شده به­ازای شیب­های جانبی 45 و 90 درجه به­ترتیب برابر 720 و 660 بود. برای تخمین مؤلفه افقی بی­بعد سرعت جریان در محدوده تلاقی از متغیرهای نسبت دبی و مختصات بی­بعد نقاط اندازه­گیری سرعت استفاده شد. برای ارزیابی کارایی مدل­ها از شاخص­های آماری، نمودارهای پراکندگی، جعبه­ای و تیلور استفاده شد. نتایج نشان داد که مدل GEP به­ازای شیب­های جانبی 45 و 90 درجه از بالاترین قدرت تخمین مولفه افقی سرعت برخوردار بود. مقادیر ضریب تعیین (R2)، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) و میانگین قدر مطلق خطا (MAE) توسط مدل GEP در مرحله صحت­سنجی به­ازای شیب جانبی 45 درجه به­ترتیب برابر با 967/0، 142/0 و 094/0 و به­ازای شیب جانبی 90 درجه مقادیر مذکور به­ترتیب برابر با 956/0، 184/0 و 128/0 به­دست آمد. معادلات ریاضی ارائه شده توسط مدل GEP برای پیش­بینی میدان سرعت طولی در محدوده تلاقی کانال­ها به­ازای شیب­های جانبی 45 و 90 درجه می­تواند به­عنوان جایگزین مناسب برای روش­های مستقیم اندازه­گیری مورد استفاده قرار گیرد.