ORIGINAL_ARTICLE
ارائه روش نوین محاسبه تراز سطح آب در مدلهای غیرهیدرواستاتیک با قابلیت کاربرد در جریانهای سطح آزاد و جریان در محیط متخلخل
یکی از مشکلات اساسی در توسعه مدلهای غیرهیدرواستاتیک، چگونگی تعریف شرط مرزی سطح آزاد آب است. در برخی از مدلها، موقعیت سطح آب با استفاده از روشهای پرهزینهای مانند VOF و MAC تعیین میشوند. این روشها بر خلاف دقت مناسب، عموماً هزینه محاسباتی بالایی دارند و دارای محدودیتهای پایداری هستند. گروه دیگری از مدلهای غیرهیدرواستاتیک موقعیت تراز آب را با استفاده از شرط مرزی سینماتیک سطح آب بدست میآورند. این مدلها زمانی کارایی مناسبی دارند که گرادیان سطح آزاد آب ناچیز باشد. عموماً در استفاده از شرط مرزی سینماتیک سطح آزاد، محدوده محاسبات هیدرواستاتیک در میدان محاسباتی به شکلی تعریف میگردد که در زمان شبیهسازی، تراز سطح آب خارج از این محدوده قرار نگیرد. استفاده از این الگوریتم، در شرایطی که گرادیان تراز سطح آب زیاد باشد، باعث میشود که بخش زیادی از میدان جریان بصورت هیدوراستاتیک حل شود. این مسأله در محاسبات تراز سطح آب زیرزمینی نیز بصورت مشخص وجود دارد. در تحقیق حاضر برای مرتفع نمودن این مسأله، با فرض وجود صرفاً یک تراز آب در راستای قائم، مرز محدوده محاسبات هیدرودینامیک و هیدرواستاتیک در هر گام مکانی بصورت مجزا و مستقل تعریف میشود. لذا در هرگام زمانی، تعداد سلولها در هر ستون شبکه محاسباتی متناسب با تراز سطح آب بصورت مجزا محاسبه شده و به روز میشود. با اعمال این تغییرات، محاسبه تراز سطح آب و میدان جریان بصورت قابل توجهی بهبود یافته است. در واقع این روش حدفاصل استفاده از روش VOF و روش شرط مرزی سینماتیک سطح آزاد آب میباشد، بهگونهای که دقت آن از روش شرط مرزی سینماتیک مرسوم بیشتر و حجم محاسبات و محدودیت پایداری آن از روش VOF کمتر میباشد. در این مقاله یک مدل غیرهیدرواستاتیک دو بعدی در قائم برای شبیهسازی همزمان جریان با سطح آزاد و جریان در محیط متخلخل ارائه شده است. معادلات حاکم بر مدل، شکل توسعه یافته معادلات ناویر استوکس میباشد که در محیط سیال و محیط متخلخل به صورت یکسان بکار برده میشود. این معادلات با استفاده از روش حجم محدود و در مختصات کارتزین گسستهسازی شده و به کمک روش تحمیل فشار در دو مرحله حل شدهاند. مدل توسعه داده شده، با درگیر کردن معادله سینماتیک سطح آزاد آب و شکل توسعه یافته معادلات ناویر استوکس، میدان فشار را بصورت کامل حل مینماید. به منظور مدلسازی آشفتگی، مدل استاندارد بکار گرفته شده است. در آزمون اندرکنش موج و موجشکن، مدل حاضر با گام زمانی 6 برابر بزرگتر از گام زمانی مدل VOF نیز پایدار بوده و به لحاظ زمان اجرا، به میزان 480 درصد بهینهتر از این روش میباشد.
https://jhyd.iha.ir/article_40544_c4d1f12eb37ecfeebb94c24e68f64cc4.pdf
2016-08-22
1
16
10.30482/jhyd.2016.40544
مدل دوبعدی قائم
روش احجام محدود
مدل غیرهیدرواستاتیک
شرط سینماتیک سطح آزاد آب
محیط متخلخل
ناصر
شکری
shokri.naser@ut.ac.ir
1
دانشجوی دکتری سازه های آبی گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشگاه تهران
AUTHOR
مسعود
منتظری نمین
mnamin@ut.ac.ir
2
عضو هیئت علمی پردیس فنی دانشگاه تهران - دانشکده مهندسی عمران
LEAD_AUTHOR
جواد
فرهودی
hydraulicsociety.ir@gmail.com
3
عضو هیئت علمی پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه تهران - گروه آبیاری و آبادانی
AUTHOR
افتخاری، م. (1387). شبیهسازی عددی دوبعدی توزیع حرارت و شوری در مخازن سدها، رساله دکتری مهندسی عمران، گرایش هیدرولیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس. چگینی، ف. (1391). "توسعه مدل سهبعدی هیدرودینامیک با ویژگی کاربرد در دریای خزر"، رساله دکتری مهندسی عمران، گرایش آب، دانشکده فنی، دانشگاه تهران. ریاحی، م. خالقی، ح. منتظری نمین و م. حسن زاده، ع. (1385). "شبیهسازی عددی شکست امواج در مقابل دیواره ساحلی با استفاده از روش پروجکشن"، مجله تحقیقات منابع آب ایران، دوره 2، شماره 1، ص.ص. 61-71.
1
Ahmadi, A., P. Badiei, and M.M. Namin, (2007). "An implicit two‐dimensional non‐hydrostatic model for free‐surface flows". International Journal for Numerical Methods in Fluids, 54(9): pp. 1055-1074.
2
Akbari, H. and M.M. Namin, (2013). "Moving particle method for modeling wave interaction with porous structures". Coastal Engineering, 74: pp. 59-73.
3
Casulli, V. and G.S. Stelling, (1998). "Numerical simulation of 3D quasi-hydrostatic, free-surface flows". Journal of Hydraulic Engineering, 124(7): pp. 678-686.
4
Chorin, A.J., (1967). "A numerical method for solving incompressible viscous flow problems". Journal of Computational Physics, 2(1): pp. 12-26.
5
Ebrahimi, K., R.A. Falconer, and B. Lin, (2007). "Flow and solute fluxes in integrated wetland and coastal systems". Environmental Modelling and Software, 22(9): pp. 1337-1348.
6
Kong, J. Xein, P. Song and Z. Li, L., (2010). "A new model for coupling surface and subsurface water flows: With an application to a lagoon". Journal of Hydrology, 390(1): pp. 116-120.
7
Liang, D., R.A. Falconer, and B. Lin, (2007). "Coupling surface and subsurface flows in a depth averaged flood wave model". Journal of Hydrology, 337(1): pp. 147-158.
8
Mahadevan, A., J. Oliger, and R. Street, (1996). "A nonhydrostatic mesoscale ocean model. Part II: Numerical implementation". Journal of Physical Oceanography, 26(9): pp. 1881-1900.
9
Namin, M. and K. Motamedi, (2009). "A non-hydrostatic free surface 2D vertical model using discrete singular convolution (DSC) method". Iranian Journal of Science and Technology Transaction B: Engineering, 33(1): pp. 95-108.
10
Namin, M., (2003). "A fully three-dimensional non-hydrostatic free surface flow model for hydro-environmental predictions", Ph.D. Thesis, Cardiff University, School of Engineering.
11
Namin, M., B. Lin, and R. Falconer, (2001). "An implicit numerical algorithm for solving non-hydrostatic free-surface flow problems". International Journal for Numerical Methods in Fluids, 35(3): pp. 341-356.
12
Patankar, S., (1980). Numerical heat transfer and fluid flow, CRC Press.
13
Rodi, W., (1984). Turbulence models and their application in hydraulics: a state of the art review. International Association for Hydraulic Research, The Netherlands.
14
Spanoudaki, K., A.I. Stamou, and A. Nanou-Giannarou, (2009). "Development and verification of a 3-D integrated surface water–groundwater model". Journal of Hydrology, 375(3): p. 41
15
Van Gent, (1995). M.R.A., "Wave interaction with permeable coastal structures". Ph.D. Thesis, Delft University of Technology.
16
Yuan, B. Yuan, D. Sun, J. Tao, J. (2012). "A finite volume model for coupling surface and subsurface flows". Procedia Engineering, 31: pp. 62-67.
17
Yuan, L., Xin, J. Kong, L. Li, and D. Lockington (2011). "A coupled model for simulating surface water and groundwater interactions in coastal wetlands", Hydrological Processes, 25: pp. 3533-3546.
18
ORIGINAL_ARTICLE
بررسی پدیدة انفجارآشفتگی اطراف آبشکن مستغرق در خم کانال
در تحقیق حاضر بررسی میدان جریان در نزدیک بستر اطراف آبشکن مستغرق قرار گرفته در قوس انجام شد. برای این منظور میدان جریان اطراف آبشکنهای مستغرق با استفاده از دستگاه ADV اندازهگیری و بحث و بررسی در مورد پدیدۀ انفجار آشفتگی در نزدیک بستر انجام شد. برای تحلیل دقیق میدان جریان نزدیک بستر از پارامترهای مختلف آماری و آشفتگی از جمله سرعت میانگین جریان، احتمال ایجاد پدیدههای چهارگانه، زاویۀ اعمال پدیدههای چهارگانه، میزان پایداری و تبدیل پدیدهها به یکدیگر، تنشهای رینولدز و شار انرژی آشفتگی استفاده شد. نتایج این تحقیق نشان داد که ارتباطی بین میدان جریان و فرایند آبشستگی که توسط تحقیقات پیشین ارایه شده است، وجود دارد. شار انرژی آشفتگی، تخمین تنشهای برشی وارد بر بستر، احتمال ایجاد پدیدهها و زوایای اعمال پدیدهها میتوانند برای شناسایی نقاط مستعد آبشستگی استفاده شوند. تشکیل جریانهای برگشتی در بالادست و پاییندست آبشکن موجب تقویت پدیدههای اندرکنشی در این نواحی شده، در حالی که پدیدههای بیرون رانی و جاروبی در ناحیۀ خارج از جریانهای برگشتی سهم بیشتری داشته و در محدودۀ لایۀ برشی تشکیل شده در اطراف آبشکن قدرت بیشتری دارند. مقایسۀ بین فرایند انتقال رسوبات در اطراف آبشکن مستغرق با درصد استغراق کم و زیاد نشان داد که قدرت بیشتر تنشهای برشی وارد بر بستر یکی از عوامل انتقال رسوبات از ناحیۀ نوک بالادست آبشکن با درصد استغراق کم میباشد، در حالی که در آبشکن با درصد استغراق زیاد افزایش تنش برشی وارد بر بستر در پاییندست آبشکن و در ناحیۀ برگشتی جریان، بهدلیل ریزش جریان از تاج آبشکن موجب آبشستگی و حمل رسوبات توسط جریان برگشتی در این منطقه به سمت جان آبشکن و ته نشینی میشود. تفاوت موجود بین حداکثر مقادیر تنشهای برشی وارد بر بستر بین آبشکن با درصد استغراق زیاد و کم و نیز بیشتر بودن شار انرژی آشفتگی در آبشکن با درصد استغراق کم در این نواحی میتواند قدرت بیشتر جریان برای آبشستگی در اطراف آبشکن با درصد استغراق کم و بزرگتر بودن حفرۀ آبشستگی در اطراف این نوع آبشکن را توجیه کند.
https://jhyd.iha.ir/article_43718_8350a00d0681138647685a42f17702df.pdf
2016-08-22
17
31
10.30482/jhyd.2016.43718
انفجار آشفتگی
آبشکن مستغرق
میدان جریان نزدیک بستر
پدیدههای چهارگانه آشفتگی
مجتبی
مهرآیین
mojtaba.mehraein@gmail.com
1
استادیار گروه عمران، دانشگاه خوارزمی، تهران
LEAD_AUTHOR
مسعود
قدسیان
ghods@modares.ac.ir
2
استاد دانشکده مهندسی عمران و محیطزیست، پژوهشکدۀ مهندسی آب، دانشگاه تربیت مدرس، تهران
AUTHOR
خسروی مشیزی، م. (1390). "بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان و آبشستگی پیرامون آبشکن T شکل مستغرق در قوس90درجه". پایاننامۀ کارشناسی ارشد، دانشکدۀ مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران.
1
شریعت زاده، ی. (1390). "بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان و آبشستگی پیرامون آبشکن Tشکل جاذب و دافع، مستقر در قوس 90 درجه در حالت استغراق". پایاننامۀ کارشناسی ارشد، دانشکدۀ مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران.
2
صفرزاده گندشمین، ا. (1389). "مطالعه آزمایشگاهی الگوی جریان آشفته حول آبشکن با شکلهای مختلف دماغه". رساله دکتری، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران.
3
فضلی، م. (1387). "مطالعه آزمایشگاهی الگوی آبشستگی پیرامون آبشکن مستقر در قوس 90 درجه". رساله دکتری، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران.
4
Bey, A., Faruque, M. and Balachandar, R. (2007). “Two-dimensional scour hole problem: role of fluid structures.” J. Hydr. Eng., 133(4), 414- 431.
5
Biron, P., Robson, C., Lapoinet, M.F. and Gaskin, S.J. (2004). “Comparing different methods of bed shear stress estimates in simple and complex flow fields.” Earth Surf. Process. Landforms. 29, 1403–1415.
6
Camino, A., Zhu, D. and Rajaratnam, N. (2012). “Jet diffusion inside a confined chamber.” J. Hydraul. Res. 50(1), 121–128.
7
Carlos, M., Cantero, N., Nino, Y., and Garcia, H. (2005). “Turbulence measurements with acoustic doppler velocimeters.” J. Hydraul. Eng. 131(12), 1062–1073.
8
Coleman, S. E., Lauchlan, C. S. and Melville, B. W. (2003). “Clear-water scour development at bridge abutments.” J. Hydraul. Res., 41(5), 521-532.
9
Dey, S. and Barbhuiya, A. K. (2006). “Velocity and turbulence in a scour hole at a vertical wall abutment.” Flow. Mea. Instru. 17, 13–21.
10
Duan, J. G., He, L., Wang, G. Q. and Fu, X. D., (2009). “Mean flow and turbulence around experimental spur dike.” Adv. Water. Resour. 32(12), 1717–1725.
11
Duan, J. G., He, L., Wang, G. Q. and Fu, X. D. (2011). “Turbulent burst around experimental spur dike.” Int. J. Sediment. Res. 26(4), 471-486.
12
Elawady, E. and Mansanori, M. (2000). “Experimental study of flow behavior around submerged spur-dike on rigid bed.” Annual J. Hydraulic Eng. 44, 539-544.
13
Fazli, M, Ghodsian, M. and Salehi Neyshaboury, S. A. A. (2008). “Scour and flow field around a spur dike in a 90° bend”. Int. J. Sediment Res. 23(1), 56-68.
14
Goring, D. and Nikora, V. (2002) “Despiking acoustic doppler velocimeter data.” J. Hydraul. Eng, 128(1), 117–126.
15
Hinze, J. O. (1975). Turbulence. McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering.
16
Kim, H. T., Kline S. J. and Reynolds W. C. (1971). “The production of turbulence near a smooth wall in a turbulent boundary layer.” J. Fluid Mech. 50, 133-160.
17
Kuhnle, R. A. and Alonso, C. V. (2013). “Flow near a model spur dike with a fixed scoured bed.” Int. J. Sediment Res. 28(3), 349-357.
18
Kuhnle, R. A., Alonso, C. V. and Jia, Y. J. (2008). “Flow around a submerged trapezoidal spur dike test case.” J. Hydraul. Eng, 128(12), 1087-1093.
19
Leschziner, M. A. and Rodi, W. (1979). “Calculation of strongly curved open channel flow.” J. Hydrau. Div. 105(10), 1297-1314.
20
Mianaei, S. J. and Keshavarzy, A. R. (2008). “Spatio-temporal variation of transition probability of bursting events over the ripples at the bed of open channel.” Stoch. Environ. Res. Risk. Assess. 22, 257–264
21
Nezu, I. and Nakagawa, H. (1993). Turbulene in open-channel flow. IAHR Monograph Series, Balkema, Rotterdam, The Netherlands.
22
Niell, C. R. (1973). Guide to bridge hydraulics, University of Toronto Press, Toronto, Canada.
23
Pagliara, S., Hassanabadi, L. and Mahmoudi Kurdistani, S. (2015). “Clear water scour downstream of log deflectors in horizontal channels.” J. Irrig. Drain. Eng. 10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000869.
24
Soulsby, R. L. and Dyer, K. R. (1981). “The form of the near-bed velocity profile in a tidally accelerating flow.” J. Geophysical Research, 86, 8067-8074.
25
Vaghefi, M. and Ghodsian, M. (2009). “Experimental study on the effect of a T-shaped spur dike length on scour in a 90° channel bend.” Arab. J. Sci. Eng., 34(2), 337-348.
26
Vaghefi, M., Ghodsian, M. and Salehi Neyshabouri, S. A. A. (2012). “Experimental study on scour around a T-shaped spur dike in a channel bend.” J. Hydraul. Eng. 138(5), 471–474.
27
Yaeger, M. A. (2009). “Mean flow and turbulence around two series of experimental dikes.” Msc Thesis, University of Arizona.
28
ORIGINAL_ARTICLE
بررسی طرح فلوم گلوبلند و تغییر طرح سریز لبه پهن برای افزایش دقت سازه
- تجهیز نقاط تحویل به وسایل وادوات اندازهگیری جریان از مهمترین اقداماتی است که در راستای افزایش کارایی آب و ارتقای راندمان آبیاری در طی دهه اخیر مورد توجه قرار گرفته است. درهمین راستا در سال 1386 تعداد 10 سازه فلوم گلوبلند در یکی ازکانالهای درجهد و شبکه آبیاری و زهکشی در ودزن به نام کانال اردیبهشت نصب گردید. اما همانند سایر شبکههای کشور، این شبکه نیز با مشکل دقیق نبودن سازهها و ادوات اندازهگیری وعدم کالیبراسیون آنها روبرو بود. در این پژوهش،سه سازهفلوم گلوبلندواقع در ابتدایکانالهایدرجه 3 به نامهای T15، T19 وT20 به منظور بررسی صحت اندازهگیری آنها موردارزیابی قرارگرفتند. از آنجا که در شرایط کم آبی دقت اندازهگیری اهمیت زیادی دارد، لذا وضعیت سازه در این شرایط مورد بررسی دقیقتر قرار گرفت.اندازهگیریمیدانیدرطی یک فصل آبیاری (90-91) بااستفادهازیک دستگاهمیکرومولینهدقیقوباتکرارحداقل3وحداکثر5نوبتبرایهرکداماز سازههاانجامگرفتهو ضمنمحاسبهدبی، جداولونمودارهایدبی-اشلبرایآنهاترسیمگردید. دادههای میدانی با رابطه تئوری مقایسه و صحت رابطه در شرایط میدانی مورد تأیید قرار گرفت. برای استخراج رابطه دبی -اشل برای دامنه وسیعتری از دبیها، مدل وین-فلوم به منظور شبیهسازی عملکرد این سازه مورد استفاده قرار گرفت و نتایج نشان داد که مدل وین-فلوم قابلیت طراحی، شبیهسازی و ارزیابی انواع سازههای فلوم گلوبلند را داراست و جدول، منحنی و رابطه رگرسیونی دبی-اشل را استخراج و ارائه میدهد. از آنجا که سازه فلوم گلوبلند با مقطع سرریز لبه پهن در شرایط شبکه درودزن و شبکههای مشابه در دبیهای حداقل در اندازهگیری جریان خطایی بین 12 تا 21 در صد دارد که بهمراتب بیش از خطا در دبیهای حداکثر است، لذا در این تحقیق با تغییر مقطع سرریز و شبیهسازی در مدل وین-فلوم، سازهای دقیقتر در دبیهای کم (و حتی در دبیهای زیاد) نسبت به هندسه قبلی سازه ارائه شد که میتواند در نقاط حساس شبکههای آب کشور در شرایط کم آبی استفاده شود. این سازه با کوتاه کردن طول تیغه آب تشکیل شده روی سرریز لبه پهن ارتفاع اشل را بیشتر کرده تا دامنه کمتری از دبی در اشلهای پایین عبور کند و به این طریق صحت اندازهگیری را افزایش داده است.
https://jhyd.iha.ir/article_43719_a9f5609117aaaec52866524fdb7b0c16.pdf
2016-08-22
33
42
10.30482/jhyd.2016.43719
اندازهگیری دبی جریان
تیغه آب
خطای اندازهگیری
رابطه دبی–اشل
فلوم گلوبلند
مدل WIN-FLUME
محمد جواد
ساکی
mjavadsaki@yahoo.com
1
دانشجوی دکتری دانشگاه ازاد اراک
AUTHOR
ناصر
طالب بیدختی
nassertaleb@gmail.com
2
استاد دانشکده مهندسی دانشگاه شیراز
LEAD_AUTHOR
نجم الدین
واصلی
n45vas@yahoo.com
3
عضو هیئت علمی گروه مهندسی عمران آب دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات فارس
AUTHOR
شاهرخ
زند پارسا
zandparsa@yahoo.com
4
دانشیار دانشکده کشاورزی دانشگاه شیراز
AUTHOR
Ackers, P., W. R. White, J. A. Perkins, and A. J. M. Harrison, (1978). Weirs and flumes for flow measurement, John Wiley & Sons, New York.
1
Boiten, W., (2005). Hydrometry, (Revised Editional), Taylor and Francis e- Library, New York.
2
Bos, M.G., J. A. Replogle, and A. J. Clemmens., (1991). Flow measuring flumes for open channelsystems, American Society of Agricultural Engineers, (edition by John Wiley & Sons), St. Joseph, MI.
3
Bos, M.G. and Y. Reinink, (1981). "Head loss over long-throated flumes", American Society of Civil Engineering (ASCE), Journal of the Irrigation and Drainage Division,107(IR1): 87-102.
4
Bos, M.G. ed., (1989). Discharge measurement structures. 3rd revised ed., publication 20,. International Institue for Land Reclamation/ILRI, Wageningen, The Netherlands.
5
Clements, A.J., T.L. Wahl, M.G. Bos, and J.A. Replogle, (2001). Water measurement with flumesand weirs. ILRI, Wagenigen The Netherlands. p. 382.
6
Göğüş, M., Z. Defne, and V. Özkandemir, (2006). "Broad-crested weirs with rectangular compound cross sections", Journal of Irrigation and Drainage Engineering,. 132-3: pp. 272-280.
7
Hjerschy, R.W., (2008). Stream flow measurement, (3th edition), Taylor and Francis e-Library, New York.
8
Kirkgoz, M.S., M.S. Akoz, and A.A. Oner, (2008). "Experimental and theoretical analyses of two-dimensional flows upstream of broad-crested weirs", Canadian Journal of Civil Engineering. 35(9), pp. 975-986.
9
Merkly, G. P., (1997). CANALMAN- A hydraulic simulation model for unsteadyflow in branching canal network users manual. Utah State University.
10
Replogle, J.A., (1975). "Critical flow flumes with complex cross-section. In: irrigation and drainage in age of competition for resources", Specialty Conference Proceding, ASCE, Logon, Utah.
11
Replogle, J.A. (1999). Flow measurement. Journal of Irrigation and Drainage Systems. 12: 71-83.
12
Replogle, J.A., Clements A.J., Pugh, C.A. (2004). Hydraulic design handbook, Chapter 21, USDA-ARS Water Conservation Laboratory, Phoenix, Arizona.
13
Wahl, T.L., (2006). "Introduction to long-throated flumes (ramp flumes), broad- crested weirs and Win flume", Specially Conference Proceeding, ASCE, Logon, Utah.
14
Wahl, Tony L., Albert J. Clemmens, John A. Replogle, and Marinus G. Bos, (2000). "Win-Flume- windows-based software for the design of long-throated measuring flumes". Fourth Decennial National Irrigation Symposium, American Society of Agricultural Engineers, Nov. 14-16, Phoenix, Arizona.
15
Wahl, T.L., J.A. Replogle, B.T. Wahlin, and J.A. Higgs. (2000). "New developments in design and application of long-throated flumes". Conference on Water Resources Engineering and Water Resources Planning and Management. Minneapolis.
16
Zand-Parsa, Sh., (2008). "Difficulties of irrigation water measurements in Iran and recommendation for a suitable method". Water Management in Iran and the United States, pp. 121-131.
17
ORIGINAL_ARTICLE
توسعه روش نیمهضمنی ذرات متحرک (MPS) به منظور شبیهسازی جریانهای دانهای
حرکت سریع رسوبات، میتواند منجر به جریانهای بسیار مخرب و گذرا در محیطهای رودخانهای و ساحلی ناشی شود که بسیاری از مسائل ژئومورفولوژی و مهندسی با آن مواجه میشوند. شکست سد بر بستر فرسایشپذیر، زمین لغزش زیر دریا، ریزش دیواره رودخانهها و خروج رسوبات از مخازن تنها چند نمونه از این مسائل هستند. پیشبینی دقیق پیچیدگیها در سیستم آب -رسوب (یک سیستم جریان دانهای متراکم چند فازی) هنوز یک چالش عمده برای مدلهای مبتنی بر شبکه است. با توجه به توانایی روشهای لاگرانژی بدون شبکه در مدلسازی تغییر شکلهای بزرگ و ناپیوستگیها، روشهای لاگرانژی بدون شبکه میتوانند یک فرصت منحصر به فرد برای مقابله با چنین پیچیدگی فراهم کنند. هدف از این تحقیق توسعه مدل لاگرانژی نیمه ضمنی ذرات متحرک با تراکم ضعیف (WC-MPS) برای شبیهسازی انتقال سریع رسوبات غیر چسبنده است. مواد دانهای به صورت یک سیال غیر نیوتنی و ویسکو پلاستیک در نظر گرفته شده است. برای پیشبینی رفتار غیر نیوتنی فاز دانهای، از مدل رئولوژیکی هرشل بالکی استفاده گردیده است که با استفاده از مدل نمایی توسعه داده شده است. روش MPSبا برخی نوسانات غیرفیزیکی فشار همراه است. چنین نوساناتی (هر چند کوچک) میتوانند سبب ایجاد برخی ارتعاشات غیرفیزیکی شده و آستانه تسلیم جریانهای دانهای را تحت تأثیر قرار دهند. استفاده از فشار دینامیکی به جای فشار استاتیکی میتواند به تثبیت نوسانات فشار نیز کمک نماید. در برخی از مطالعات اخیر در مورد روشهای MPS و SPH استفاده از فشار هیدرواستاتیک برای مواردی که شتاب قائم ناچیز باشد، پیشنهاد شده است. در مواردی که شتاب عمودی غیر قابل اغماض است، فشار هیدرواستاتیک کاربردی نمیباشد. لذا در این پژوهش، با بکارگیری فشار ترمودینامیکی هموار شده، به جای فشار هیدرو استاتیکی، به توسعه و بهبود این مدل در شبیهسازی جریانهای دانهای پرداخته شده است. در این مقاله، فروپاشی توده رسوب خشک و همچنین شکست سد بر روی بستر فرسایشپذیر با استفاده از مدل لاگرانژی بدون شبکه MPS مدلسازی گردیده است و با نتایج مدل آزمایشگاهی مقایسه شده است. بررسیها نشان میدهد که فرایندهای مرتبط با رسوب به خوبی توسط روشهای لاگرانژی قابل مدلسازی بوده و نتایج عددی با اندازهگیریهای آزمایشگاهی تطابق بسیار خوبی را نشان میدهد.
https://jhyd.iha.ir/article_43720_3995fa5575eb724bdbd0afe4008871e2.pdf
2016-08-22
43
59
10.30482/jhyd.2016.43720
روش نیمه ضمنی درات متحرک (MPS)
مدل چند فازی
مدل هرشل بالکی نمایی
جریان دانهای
احسان
جعفری ندوشن
e.jafari@iaubijar.ac.ir
1
استادیار گروه مهندسی عمران، واحد بیجار، دانشگاه آزاد اسلامی، بیجار، ایران
LEAD_AUTHOR
احمد
شکیبایی نیا
shakiba@uvic.ca
2
بخش مهندسی عمران، ژئوفیزیک و معدن، دانشگاه پلی تکنیک مونترال، مونترال، کانادا
AUTHOR
خسرو
حسینی
khhoseini@semnan.ac.ir
3
دانشیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران
AUTHOR
Ataei-Ashtiani, B. and Farhadi, L. (2006). "A stable moving–particle semi-implicit method for free surface flows", Fluid Dynamics Research, Vol. 38, pp. 241-256.
1
Courant, R., Friedrichs, K. and Lewy, H. (1967). "On the partial difference equations of mathematical physics", IBM J. Res. Develop. 11(2), pp. 215–234.
2
Fraccarollo, L. and Capart, H. (20002). "Riemann wave description of erosional dam-break flows", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 461, pp. 183-228.
3
Gingold R.A. and Monaghan J.J. (1977). "Smoothed particle hydrodynamics: theory and application to non-spherical stars", Mon. Not. R. Astron. Soc. 181:375–89.
4
Gotoh, H. and Sakai, T. (1999). "Lagrangian simulation of breaking wave using particle method", Coastal Engineering Journal, Vol. 41, No. 3-4, pp. 303–326.
5
Gotoh, H. and Sakai,T. (2006). "Key issues in the particle method for computation of wave breaking", Coastal Engineering Journal, Vol. 53, No. 2–3, pp. 171-179.
6
Jafari Nodoushan, E. Hosseini, Kh. Shakibaeinia, A. and Mousavi, S.F. (2015). "Meshless particle modelling of free surface flow over spillways", Journal of Hydroinformatics 10.2166/hydro.2015.096
7
Shibata, K. and Koshizuka, S. (2007). "Numerical analysis of shipping water impact on a deck using a particle method", Ocean Engineering, Vol. 34, pp. 585-593.
8
Khayyer, A. and Gotoh, H. (2009). "Modified moving particle semi-implicit methods for the prediction of 2D wave impact pressure", Coastal Engineering Journal, Vol. 56, pp. 419-440.
9
Khayyer, A. and Gotoh, H. A (2010). "Higher order Laplacian model for enhancement and stabilization of pressure calculation by the MPS method", Applied Ocean Research, Vol. 32, pp. 124-131.
10
Kondo, M. and Koshizuka, S. (2011). "Improvement of stability in moving particle semi-implicit method", International Journal of Numerical Methods in Fluids, Vol. 65, No. 6, pp. 638-654.
11
Koshizuka, S. Nobe, A. and Oka, Y. (1998). "Numerical analysis of breaking waves using the moving particle semi-implicit method", International Journal of Numerical Methods in Fluids, Vol. 26, No. 7, pp. 751–769.
12
Koshizuka, S. and Oka, Y. (1996). "Moving particle semi-implicit method for fragmentation of incompressible fluid", Nuclear Science and Engineering, Vol. 123, No. 3, pp. 421-434.
13
Koshizuka, S., Tamako, H. and Oka, Y. (1995). "A particle method for incompressible viscous flow with fluid fragmentation", Comput. Fluid Dyn. J., 4(1), 29–46.
14
Lajeunesse, E., Monnier, J. and Homsy, G. (2005). "Granular slumping on a horizontal surface", Phys. Fluids, 17(10), pp. 1-15.
15
McTigue, D. F. (1981). "Mixture theory for suspended sediment transport", Journal of the Hydraulics Division, 107(6), pp. 659-673.
16
Meyer-Peter, E. and Müller, R. (1948). Formulas for bed-load transport. IAHR.
17
Papanastasiou, T.C. (1987). "Flows of materials with yield", J. Rheol. 31- 385–404.
18
Shakibaeinia, A. and Jin, Y.C. (2010). "A weakly compressible MPS method for simulation of open-boundary free-surface flow", International Journal of Numerical Methods in Fluids, Vol. 63, No. 10, pp. 1208–1232.
19
Shakibaeinia, A. and Jin, Y.C. (2011a). "MPS-based mesh-free particle method for modeling open-channel flows", Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 137, No. 11, doi:10.1061/(ASCE)HY. pp. 1943-7900.0000394.
20
Shakibaeinia, A. and Jin, Y.C. (2011b). "A mesh-free particle model for simulation of mobile-bed dam break", Advanced Water Resources, Vol. 34, pp. 794-807.
21
Shakibaeinia, A. and Jin, Y.C. (2012). "MPS mesh-free particle method for multiphase flows", Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 229–232, pp. 13-26.
22
Spinewine B. (2005). "Two-layer flow behaviour and the effects of granular dilatancy in dam break induced sheet-flow", PhD thesis, Univerisité de Louvain, Belgium.
23
Zhua, H., Kimb, Y.D and De D. Keea. (2005). "Non-Newtonian fluids with a yield stress, J. Non-Newtonian Fluid Mech. 129, pp. 177–181.
24
ORIGINAL_ARTICLE
مطالعه آزمایشگاهی تأثیر هندسه و تراز کف کانال بالادست بر ضریب دبی جریان در سرریز پلان کنگرهای- ذوزنقهای
سرریزهای کنگرهای یکی از سازههای متداول بهمنظور تنظیم سطح آب و تخلیه جریان در کانالهای انتقال آب و دریاچه سدها بدون نیاز به عملیات بهرهبرداری خاص میباشند. مشکل عمده در بهرهبرداری از این سازهها در کانالهای انتقال آب، ترسیب مواد رسوبی موجود در بالادست آنها میباشد که در نتیجه عملکرد هیدرولیکی این نوع از سازهها را تحت تأثیر قرار میدهد. در این پژوهش تأثیر تغییر هندسه و تغییر تراز کف کانال بالادست بر ضریب دبی جریان سرریزهای پلان کنگرهای- ذوزنقهای بهصورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. آزمایشها در شرایط عدم تغییر تراز کف کانال و سه تراز کف کانال بالادست سرریز (30، 60 و 90 درصد ارتفاع سرریز) در 6 هندسه از سرریز کنگرهای- ذوزنقهای انجام شد. مقایسه نتایج حاصل از بررسی تأثیر ترازهای مختلف کف کانال بالادست بر ضریب دبی جریان این سرریزها نشان داد که تغییر تراز کف کانال به 30 و 60 درصد ارتفاع سرریز نسبت به عدم تغییر تراز کف کانال تأثیر معنیداری بر ضریب دبی جریان آنها ندارند، ولی با افزایش تراز کف کانال بالادست به 90 درصد، ضریب دبی جریان این سرریزها نسبت به عدم تغییر تراز کف کانال تغییر چشمگیری نموده و بهطور متوسط در هندسههای مورد بررسی 14 درصد کاهش مییابد. مقایسه نتایج حاصل از تغییر هندسه این سرریزها نشان داد که در ترازهای کف کانال کمتر از 90 درصد، بهدلیل افزایش استغراق موضعی در سیکلهای خروجی سرریزها با افزایش دبی جریان، هندسههای با زاویه راس سیکل کوچکتر و طول سیکل در جهت جریان (B) بیشتر، ضریب دبی جریان بالاتری داشتند. اما در ترازهای کف کانال 90 درصد، بهعلت آنکه با افزایش سرعت جریان نزدیکشونده به سرریز، بخش عمده جریان از محدوده نزدیک به راس سیکلها تخلیه میشدند، در نتیجه نیاز به مومنتم بیشتری برای خروج از سیکلها داشتند و بنابراین ضریب دبی جریان سرریزهایی با زاویه راس سیکل بیشتر و طول سیکل در جهت جریان کمتر نسبت به سایر هندسهها بیشتر بود.
https://jhyd.iha.ir/article_40543_de4689447256450d29c0e2be69edbaab.pdf
2016-08-22
61
76
10.30482/jhyd.2016.40543
سرریز کنگرهای
رسوبگذاری
ضریب دبی سرریز
سازه کنترل
مهدی
اسمعیلی ورکی
esmaeili.varaki@yahoo.com
1
استادیار سازههای آبی، گروه مهندسی آب، مجتمع دانشگاه گیلان
LEAD_AUTHOR
حنانه
شفاعت طلب دهقانی
dehghani.shafaattalab@yahoo.com
2
دانشجوی کارشناسی ارشد سازه های آبی گروه مهندسی آب دانشگاه گیلان
AUTHOR
افشین
اشرفزاده
ashrafzadeh@guilan.ac.ir
3
عضو هیات علمی گروه مهندسی آب دانشگاه گیلان
AUTHOR
اسمعیلی، م. و صفررضویزاده، م. (1392). "بررسی مشخصات هیدرولیکی بر روی سرریزهای کنگرهای با پلان نیمدایرهای"، نشریه آب و خاک، جلد 27، شماره 1، ص.ص. 234- 224.
1
اژدری مقدم، م. و جعفری ندوشن، ا. (1392). "بهینهسازی سرریز کنگرهای-ذوزنقهای با استفاده از مدل فازی-عصبی و الگوریتم ژنتیک (مطالعه موردی سد Uteدر ایالات متحده آمریکا)"، نشریه عمران، سال 24، شماره 2، ص.ص. 138-129.
2
دستورانی، م. و نصر آبادی، م. (1391). "اثر تهنشینی رسوبات در پشت سرریز اوجی بر شرایط جریان"، مجله پژوهش آب ایران، سال 6، شماره 10، ص.ص. 10-1.
3
دیزجی، ن. و محمودخانی، ا. م. (1388). "بررسی تجربی تأثیر رسوبات بر ضریب تخلیه در سرریزهای مثلثی، مستطیلی، اوجی و روگذر در کانال باز"، مجله علمی-پژوهشی علوم و مهندسی آبخیزداری ایران، سال 3، شماره 8، ص.ص. 50-39.
4
یاسی، م. و محمدی، م. (1386). "بررسی سرریزهای زیگزاگی با پلان قوسی"، مجله علوم کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه صنعتی اصفهان، سال یازدهم، شماره چهل و یک، الف، ص.ص. 12-1.
5
Carollo, F. G., V. Ferro and V. Pampalone. (2012). “Experimental investigation of the outflow process over a triangular labyrinth weir”. J. Irrig. Drain. Eng. 138(1): 73–79.
6
Crookston, B. M. (2010) “Labyrinth weirs”. Ph.D. dissertation, Utah State Univ., Logan, UT.
7
Crookston, B. M. and B. P. Tullis. (2013a). “Hydraulic design and analysis of labyrinth weirs. I: Discharge relationships”. J. Irrig. Drain. Eng. 139(5): 363–370.
8
Crookston, B. M. and B. P. Tullis. (2013b). “Hydraulic design and analysis of labyrinth weirs. II: Nappe aeration, instability, and vibration”. J. Irrig. Drain. Eng. 139(5): 371–377.
9
Hay, N. and G. Taylor. (1970). “Performance and design of labyrinth weirs”. J. Hyd. Div. Vol.96 (2): 2337-2357.
10
Henderson, F. M. (1966). Open channel flow. New York, Macmillan Publishing Co. Inc.
11
Khode, B. V., A. R. Tembhurkar, P. D., Porey and R., Ingle. (2012). “Experimental studies on flow over labyrinth weir”. J. Irrig. Drain. Eng. 138(6): 548–552.
12
Lux, F. and D. L. Hinchliff .(1985). “Design and construction of labyrinth spillways”. 15th Congress of ICOLD, Lausanne, Switzerland, 249-274.
13
Lux, F. (1993). “Design methodologies for labyrinth weirs”. Proc. of Water Power and Dam Construction, ASCE. 93(2): 1379-1407.
14
Taylor, G. (1968). “The performance of labyrinth weirs”. PhD. Thesis, University of Nottingham, Nottingham, England.
15
Savage, B., B. M. Crookston and S. Paxson. (2016). “Physical and numerical modeling of large headwater ratios for a 15º labyrinth spillway”. J. Hydraul. Eng., 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001186, 04016046.
16
Subramanya, K. (1986). Flow in open channel. Second Edition, Tata McGraw-Hill, New Delhi.
17
ORIGINAL_ARTICLE
«یادداشت تحقیقاتی» بررسی اثر شمعهای فدا شونده، طوق و شکاف بهصورت جداگانه و ترکیبی بر میزان آبشستگی موضعی پایه پل
روشهای مختلفی برای کنترل و کاهش آبشستگی موضعی اطراف پایه پل وجود دارد. در این پژوهش تأثیر شکل طوق، ابعاد و محل نصب آنها روی پایه و همچنین تأثیر شمعهای فدا شونده، شکاف و طوق به طور جداگانه و همچنین ترکیبهای دوتایی و سهتایی آنها بر میزان آبشستگی در مدت زمان 5 ساعت بررسی و مقایسه شد. نتایج نشان میدهد طوق مربعی نسبت به طوقهای دایروی و لوزوی شکل، عملکرد بهتری در کاهش آبشستگی دارد و فاصله نصب تراز بستر تأثیر بیشتری در کاهش آبشستگی نسبت به فواصل -0.4D و 0.4D+ دارد. طوق مربعی با 70% کاهش و سپس شمعهای فدا شونده با 67/46% کاهش و شکاف با میزان بازشدگی 30% قطر پایه، با 31% کاهش به ترتیب بیشترین تأثیر را در کاهش بیشینه عمق آبشستگی داشتهاند. ترکیب شمعهای فدا شونده و طوق مربعی با 75% کاهش، بیشترین عملکرد را در کنترل آبشستگی نشان داد و این در حالی است که ترکیب سهتایی شمعهای فدا شونده، طوق و شکاف بازده کمتری در کاهش آبشستگی نشان دادند؛ به گونهای که ترکیب شمع فدا شونده، شکاف و طوق مربعی 68% کاهش و ترکیب شمع فدا شونده، شکاف و طوق دایرهای 67/66% کاهش در بیشینه عمق آبشستگی نشان داد.
https://jhyd.iha.ir/article_43723_c775cab8e6e15dafd5732cca85e36160.pdf
2016-08-22
77
85
10.30482/jhyd.2016.43723
آبشستگی موضعی
شمع فدا شونده
طوق
شکاف
پایه پل
سید محمد علی
زمردیان
mzomorod@shirazu.ac.ir
1
علوم مهندسی آب دانشگاه شیراز
LEAD_AUTHOR
حمیده
غفاری
gh.hamideh1987@gmail.com
2
دانشگاه شیراز
AUTHOR
زهرا
قاسمی
zahraghasemi38@yahoo.com
3
دانشگاه شیراز
AUTHOR
آقاخانی، ا. فغفور مغربی، م. و اسماعیلی، ک. (1389). ”بررسی آزمایشگاهی اثر هندسه شکاف پایه و پایههای مجاور هم“. مجموعه مقالات پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران، دانشگاه فردوسی مشهد.
1
شفاعی بجستان، م. (1390). هیدرولیکانتقال رسوب. چاپ دوم، انتشارات دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز.
2
شریعتی، ح. خداشناس، س. و اسماعیلی، ک. (1390). ”بررسی آزمایشگاهی کارکرد با هم طوق و شکاف بر میزان آبشستگی موضعی در پایه پل“. نشریه مهندسی عمران دانشگاه فردوسی مشهد، دوره 23، شماره 1، ص.ص. 86-96.
3
کریمائی طبرستانی، م. آذرمیدخت، ح. زراتی، ا.ر. و انوری، ص. (1394). ”طراحی بهینه گستره سنگچین با استفاده از ابعاد مختلف سنگ در اطراف پایه پل با مقطع مستطیلی با طوق محافظ و بدون آن“. نشریه هیدرولیک، دوره 10، شماره 4، ص.ص. 51-64.
4
نوزاد، ح. حیدرپور، م. و افضلی مهر، ح. (1380). ”کنترل و کاهش آبشستگی موضعی پایه پل با استفاده از شکاف در گروه پایهها“. سومین کنفرانس هیدرولیک ایران، دانشکده فنی دانشگاه تهران.
5
Alabi, P.D. (2006). “Time development of local scour at bridge pier fitted with a collar”, Msc Thesis, University of Saskatchewan, Canada.
6
Chiew, Y.M. and Melville, B.W. (1987). “Local scour around bridge piers”. Journal of Hydraulic Research, 25(1): 15-26.
7
Haque, M. A. Rahman, M. M. Islam, G. M. T. and Hussain, M. A. (2007). “Scour mitigation at bridge piers using sacrificial piles”. International Journal of Sediment Research, 22(1): 49-59.
8
Heidarpour, M. Afzalimehr, H. and Izadinia, E. (2010). “Reduction of local scour around bridge pier groups using collar”. International Journal of Sediment Research, 25(4), 411-422.
9
Karimaee Tabarestani, M. and Zarrati, A. R. (2012). “Effect of collar on time development and extent of scour hole around cylindrical bridge piers”. Int. J. Eng, Transactions C, 25(1): 11-16.
10
Kumar, V. (1996). “Reduction of scour around bridge piers using protective devices”. Ph. D. Thesis, Univ. of Roorkee, Roorkee, India.
11
Kumar, V. Ranga Raju, K.G. and Vittal, N. (1999). “Reduction of local scour around bridge piers using slots and collars”. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 125(12): 1302-1305.
12
Mashahir, M. B. and Zarrati, A. R. (2002). “Effect of collar on time development of scouring around rectangular bridge piers.” Proc. 5th Int. Conf. on Hydroscience and Engineering, Warsaw, Poland.
13
Mashahir, M.B. Zarrati, A.R. and Mokallaf, E. (2007). “Effect of bed shear stress on development of scouring around bridge piers protected by a collar”. Proceeding 32nd Congress, IAHR, Venice, Italy.
14
Mashahir, M.B. Zarrati, A.R. Rezaei, M.J. and Zokaei, M. (2009). “Effect of collars and bars in reducing the local scour around cylindrical bridge piers”. International Journal of Engineering, Transaction B: Applications, 22(4): 333–342.
15
Masjedi, A.R. Bejestan, M.S. and Esfandi, A. (2010). “Reduction of local scour at a bridge pier using collar in a 180 degree flume bend”. Journal of Applied Sciences, 10(2): 124-131, ISSN 1812-5654.
16
Melville, B. W. and Sutherland, A. J. (1989). “Design method for local scour at bridge pier”. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 114(10): 22-30.
17
Melville, B. W. and Hadfield, A. C. (1999). “Use of sacrificial piles as pier scour countermeasures”. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 125:(11), 12-21.
18
Melville, B.W. and Chiew, Y.M. (1999). “Time scale for local scour at bridge pier”. ASCE Journal of Hydraulic Engineering, 125(1): 59-65.
19
Raudkivi, A.J. and Ettema, R. (1983). “Clear-water scour at cylindrical piers”. Journal of Hydraulic Engineering, 109(3): 338–350.
20
Raudkivi, A.J. (1998). Loose Boundary Hydraulics. A. A. Balkema, Rotterdam, the Netherlands.
21
Tafarojnoruz, A. Gaudio, R. and Calomino, F. (2012). “Evaluation of flow-altering countermeasure against bridge pier scour”. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 138(3): 297-305.
22
Zarrati, A. Gholami, H. and Mashahir, M. (2004). “Application of collar to control scouring around rectangular bridge piers”. Journal of Hydraulic Research, 42(1): 97-103.
23
Zarrati, A.R. Nazariha, M. and Mashahir, M.B. (2006). “Reduction of local scour in the vicinity of bridge pier groups using collars and riprap”. Journal of Hydraulic Engineering, 132(2): 154-162.
24
Zarrati, A. R. Chamani, M. R. Shafaei, A. and Latifi, M. (2010). “Scour countermeasures for cylindrical bridge piers using riprap and combination of collar and riprap”. I. J. Sed. Res, 25(3): 31.
25