پیش بینی رفتار جریان سیال در ناحیه گذار، کلید حل بسیاری از مسائل علمی است. محققین تلاش های بسیاری در زمینه ارائه و بهبود مدل هایی برای تخمین رفتار جریان سیال در این ناحیه انجام داده اند. در این جریان ها معادلات حاکم، شامل ناویر-استوکس در کنار مدل های انتقال تنش برشی به صورت هم زمان برای شبیه سازی جریان حل می شوند. ضرایب بسیاری در معادلات حاکم وجود دارند که شبیه سازی جریان سیال را تحت تأثیر قرار می دهند. در این پژوهش، مدل گذار انتقال تنش برشی با تغییر دو ضریب در معادلات گذار مورد ارزیابی قرار گرفت و با اعمال ترکیبی از این ضرایب، شبیه سازی گذار انجام شد. به منظور ارزیابی دقت ضرایب مدل ارائه شده در شبیه سازی، این ضرایب برای شبیه سازی سه مسأله جریان داخلی مختلف شامل لوله با سطح داخلی صاف، دو صفحه موازی و یک پله مورد استفاده قرار گرفت. پارامترهای مختلف همچون ضرایب اصطکاک در ناحیه ورودی و توسعه یافته و طول جدایش مورد بررسی قرار گرفتند. یک مقایسه میان نتایج حاصله از ضرایب مدل ارائه شده و داده های تحلیلی و تجربی حکایت از دقت خوب این ضرایب در پیش بینی جریان سیال دارد. علاوه بر این، در نتایج حاصله از اعمال ضرایب در مدل ارائه شده، طول ورودی جریان در جریان های آشفته و گذار به خوبی پیش بینی شده است.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.

در این پژوهش رفتار جانبی غیرخطی دیوارهای برشی فولادی-بتنی مطالعه می شود. اثر عواملی مانند ضخامت صفحه فلزی، ضخامت پوشش بتنی، فاصله برش گیرها و مقاومت مشخصه بتن بر روی مشخصات رفتار جانبی دیوار برشی مرکب فولادی-بتنی بررسی شده و مقایسه می گردد. برای این مطالعه، از تحلیل غیرخطی جانبی با بهره گیری از نرم افزار آباکوس ( ABAQUS) استفاده می شود. ابتدا رفتار یک دیوار آزمایشگاهی مدل سازی و صحت سنجی می گردد. سپس اثر عوامل یاد شده با درنظر گرفتن بازه منطقی تغییرات آن ها بررسی شده و تحلیل های متعددی انجام می شود. نتایج تحلیل حاکی از آن است که از بین سایر متغیرها، ضخامت صفحه فولادی بیشترین تاثیر را بر رفتار جانبی غیرخطی این دیوار دارد. این تحقیق از نظر تعداد متغیرهای مورد بررسی و بازه مقادیر آن ها، مدل سازی همه جزییات، و ارائه روند تغییرات مشخصات رفتار جانبی دیوار به صورت تابعی از عوامل فوق، از پژوهش های مشابه متمایز است.

تنش برشی یکی از مهمترین موارد تحقیق را در مهندسی هیدرولیک به خود اختصاص می دهد؛ زیرا مستقیما بر ساختار جریان تاثیر می گذارد. در این تحقیق برای مطالعه تنش برشی در بستر و جداره کانال ذوزنقه ای چندین سری آزمایش در کانال ذوزنقه ای با شیب جدار 1 به 1 و در حالت صاف انجام گردید. از پرستون تیوپ برای اندازه گیری تنش برشی استفاده گردید. روابط موجود برای تعیین تنش برشی مورد ارزیابی قرار گرفت و روابطی برای تنش برشی در کانال ذوزنقه ای در حالت صاف با شیب جانبی 1 به 1 ارائه شده است. هم چنین تاثیر پارامتر نسبت ظاهری بر مقدار تنش برشی بی بعد مورد ارزیابی قرار گرفته است. درصد نیروی برشی دیوار (%SFw) نسبت به کل نیروی برشی مورد تجزیه وتحلیل قرار گرفت و نشان داده شد که با افزایش نسبت ظاهری مقدار نیروی برشی دیوار کاهش می یابد.

پیش بینی دقیق تنش برشی در کانال های روباز در بسیاری از مسائل مهندسی نظیر طراحی کانال های پایدار، محاسبات مربوط به افت انرژی و رسوبگذاری در کانال ها حائز اهمیت می باشد. در هنگام سیلاب، بخشی از دبی رودخانه توسط کانال اصلی و بخش دیگر توسط دشت های سیلابی که در اطراف کانال اصلی قرار دارند، حمل می شود. به دلیل تفاوت عمق جریان بین کانال اصلی و دشت های سیلابی اطراف، سرعت جریان نیز متفاوت بوده و متعاقبا میزان تنش برشی و توزیع آن به صورت قابل ملاحظه ای دستخوش تغییر می گردد. در تحقیق حاضر آزمایش هایی برروی یک مقطع مرکب مستطیلی از جنس پلکسی گلاس به همراه دشت های سیلابی اطراف با دبی های مختلف و سه نسبت شکل متفاوت به انجام رسید. نتایج نشان داد که در هر نسبت شکل، با افزایش عمق جریان میزان تنش برشی نیز افزایش می یابد. همچنین نتایج نشان داد که با افزایش نسبت شکل، میزان تنش برشی به صورت معنی داری کاهش می یابد.

پیش بینی دقیق توزیع تنش برشی مرزی در کانالهای روباز در بسیاری از مسائل مهندسی نظیر طراحی کانال های پایدار، محاسبات مربوط به افت انرژی و رسوب گذاری در کانال ها حائز اهمیت می باشد. مطالعه های حاضر به بررسی چگونگی توزیع تنش برشی در کانال های نیم سهموی به دو روش انرژی و مومنتم و تغییرات آن در شرایط مختلف هیدرولیکی پرداخته است. برای تعیین تغییرات تنش برشی موضعی به روش انرژی از لوله پرستون با قطر خارجی چهار میلی متر مجهز به سلول های حساس به فشار دینامیک استفاده گردید. برای تبدیل فشار قرائت شده به تنش برشی از منحنی کالیبراسیون پتل استفاده شد. برای اندازه گیری مستقیم تنش برشی کل به روش مومنتم از روش فلوم لبه چاقویی استفاده شد. در نهایت روابطی برای تخمین تنش برشی در جدارهای صاف و زبر در کانال های نیم سهموی ارائه گردید. نتایج نشان دهنده این موضوع می باشد که تنش برشی جداره کانال در شرایط بستر صاف و زبر به ترتیب به-طور متوسط 7/3 درصد و 6/4 درصد بیش از تنش بستر می باشد. هم چنین اندازه گیری تنش برشی جداره و بستر به روش مومنتم در شرایط جداره صاف و زبر به طور متوسط مقادیر تنش برشی را 7/2 درصد و 85/5 درصد بیش از روش انرژی نشان می دهد.

در این تحقیق، الگوی جریان آشفته در قوس 180 درجه رودخانه به صورت سه بعدی با به کار بردن معادلات کامل ناویر استوکس و استفاده از دو مدل آشفتگی k-ε استاندارد و مدل k-ω جهت مدل سازی تنش های رینولدز و بستن سیستم معادلات حاکم (معادلات رینولدز) با روش عددی استفاده شده است. حل معادلات به روش حجم محدود صورت گرفته است. برای صحت سنجی نتایج حاصله، از نتایج مدل آزمایشگاهی دانشگاه تربیت مدرس (MHL) استفاده شده است. مقایسه نتایج حاصله نشان می دهد که هر دو مدل مزبور، الگوی کلی میدان جریان در قوس رودخانه را بخوبی مدل نموده و نتایج انطباق بسیار خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد. دقت مدل k-ω در پیش بینی میدان جریان نسبت به مدل قبلی بالاتر بوده و این مدل به خوبی الگوی جریان ثانویه را در کل طول میدان پیش بینی می کند، در حالیکه مدل اول در پیش بینی جریان ثانویه دوم در خروجی قوس ناتوان است. بررسی توزیع تنش برشی در مرزهای صلب فلوم مورد مطالعه نشان می دهد که به خاطر تاثیرات ناشی از جریان ثانویه، مدل k-ω بازه های محتمل وقوع آبشستگی و رسوب گذاری را بهتر از مدل قبلی پیش بینی کرده و احتمال وقوع دو چاله فرسایشی در هر دو نیمه کانال در حالت بستر متحرک وجود دارد.

مدل های فرضیات حدی محدودنشده، در رودخانه های کوچک اغلب عرض کانال های آبرفتی را کمتر و عمق را بیشتر از مقادیر مشاهداتی تخمین می زنند و در رودخانه های بزرگ غالبا عکس این موضوع برقرار است. به طور کلی نتایج حاصل از مدل فرضیات حدی محدودنشده نشان دهنده توافق نسبتا نامناسب هندسه محاسباتی کانال با هندسه مشاهداتی می باشد. یکی از علل پراکندگی داده ها در به کارگیری این مدل، نبود روابط مناسب برای بررسی پوشش گیاهی کناره های کانال است. به همین علت در این تحقیق با هدف افزایش دقت هندسه مدل شده کانال، به اصلاح این مدل از طریق توزیع تنش برشی مرزی در بستر و کناره ها، در نظرگیری پایداری کناره های کانال و اعمال اثر پوشش گیاهی پرداخته شده است. مدل تحلیلی توسعه یافته در این تحقیق با درج فاکتور شکل کانال، اعمال معادلات بار بستر به شکل تنش برشی مازاد و کمی سازی تاثیر پوشش گیاهی (به وسیله ارتباط آن با زاویه ایستایی خاک کناره) قادر به پیش بینی ابعاد بهینه کانال می باشد. در انتها، مدل موردنظر بر روی داده های 62 رودخانه شنی از کشور انگلستان و چهار رودخانه از ایران مورد واسنجی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده علاوه بر این که نقش تاثیر پایداری و پوشش گیاهی کناره در تخمین خصوصیات هندسی مقطع کانال را نشان می دهد، موید کارایی مدل محدود شده نسبت به مدل محدود نشده نیز می باشد.

پیشبینی تنش برشی در کانال های روباز در بسیاری از مسائل مهندسی مانند طراحی کانال های پایدار، محاسبه افت انرژی و رسوب گذاری در کانال ها با اهمیت است، در واقع سیلابی، به دلیل تفاوت عمق جریان بین کانال اصلی و دشت های سیلابی اطراف، سرعت جریان نیز متفاوت است و متعاقبا میزان تنش برشی و توزیع آن به شکلی چشم گیر تغییر میکند. در تحقیق حاضر، کارایی مدل عددی سه بعدیAnsys Fluent در شبیه سازی پارامترهای مختلف هیدرولیکی برای کانال مرکب مستطیلی با بسترهای صاف و زبر بررسی شده است. مدل آشفتگی و شبکه ی مش بندی به کمک نتایج حاصل از مدل آزمایشگاهی و مدل عددی صحت سنجی و سناریوهای مختلف به کمک مدل عددی مذکور شبیه سازی شد. مقایسه ی مقادیر تنش برشی نشان می دهد که با کاهش عمق در دشت های سیلابی، میزان و درصد تنش برشی در دشت های سیلابی افزایش و در کانال اصلی کاهش می یابد و با افزایش زبری، میزان تنش برشی افزایش می یابد. نتایج بررسی ها همچنین بیانگر این نکته است که با افزایش دبی قدرت جریان افزایش می یابد و در محل تلاقی دشت های سیلابی و کانال اصلی سرعت بیشتر است و گردابه هایی در این محل تشکیل می شود. نتایج این تحقیق می تواند در طراحی کانال های پایداربه خصوص در محل تلاقی کانال اصلی و دشت های سیلابی نقش بسزایی داشته باشد.

مدل شیونو و نایت برای تعیین توزیع عرضی سرعت متوسط عمقی و تنش برشی نیازمند واسنجی است. تحقیق حاضر در راستای تدقیق پارامترهای موثر بر واسنجی مدل شیونو و نایت در کانال های ذوزنقه ای روباز تدوین شده است. انتخاب صحیح پارامترهای ضریب اصطکاک (f)، جریان ثانویه (G) و لزجت گردابی (l) در تخمین دقیق توزیع عرضی تنش برشی نقش به سزایی دارند. برای این منظور از نتایج آزمایشگاهی محققین پیشین برای بهینه سازی پارامترهای سه گانه مذکور استفاده شد. برای این منظور سطح مقطع جریان با توجه به میزان نسبت ظاهری Pb/Pw، به تعدادی زیر بخش و سلول های جریان ثانویه تقسیم گردید و سپس با استفاده از روش بهینه سازی تکاملی، عملیات واسنجی پارامترهای ضریب اصطکاک (f)، جریان ثانویه (G) و لزجت گردابی (l) در تعیین میزان تنش برشی در هر یک از زیر بخش ها انجام گردید. نتایج حاکی از آن است که پارامتر ضریب زبری ( f) به ازای مقادیر نسبت ظاهری بزرگتر از دو و پارامتر لزجت گردابی (l) به ازای مقادیر Pb/Pw بزرگتر از شش مستقل از نسبت Pb/Pw می باشند. نتایج نشان داد که گرادیان تغییرات پارامترهای (f)، (l) و (G) به ازاء نسبت ظاهری Pb/Pw کوچکتر از چهار، از افزایش نسبی شدیدی برخوردار است. هرچند که بررسی منابع پیشین حاکی از آن است که مقدار لزجت گردابی در مسائل کاربردی معادل 0.67 در نظر گرفته می شود ولی نتایج تحقیق حاضر نشان داد که برای واسنجی مدل شیونو و نایت مقدار پارامتر لزجت گردابی ثابت نبوده و در شرایط مختلف مقدار متناسب با شرایط مساله را طلب می نماید. مقایسه نتایج تنش برشی بستر و جداره حاصل از تحقیق حاضر با نتایج آزمایشگاهی، حاکی از دقت مطلوب واسنجی پارامترهای ( f)، (l) و (G) می باشد.