فهرست مطالب

مجله هیدرولیک
سال نهم شماره 4 (زمستان 1394)

  • تاریخ انتشار: 1393/11/21
  • تعداد عناوین: 6
|
  • امید غیاثی طرزی، محمد ذونعمت کرمانی صفحات 1-14
    تحقیق پیش رو توانایی روش عددی بدون شبکه المان طبیعی را در شبیه سازی جریان با سطح آزاد و همچنین سازگاری روش جهت مند تعمیم مرتبه دوم طرح ون-لیر را بر روی روش حل المان طبیعی بیان می دارد. اساس روش المان طبیعی بر پایه درونیاب همسایه طبیعی است که در این تحقیق درونیاب سیبسون بکار گرفته می شود. همچنین به دلیل مناسب نبودن انتگرال گیری نقاط گوسی، در پژوهش حاضر از شیوه انتگرال گره ای استفاده می شود. صحت سنجی روش حل ارائه شده برای جملات پخش معادلات توسط مساله دوبعدی انتقال حرارت و برای جملات جابجایی توسط مساله یک بعدی شکست سد صورت می گیرد. در ادامه، شبیه سازی جریان با سطح آزاد بر روی بستر ناهموار در کانال مورد تحلیل قرار می گیرد و نتایج بدست آمده با نتایج حل تحلیلی مقایسه می شود. افزون بر این، مساله جریان آب درون پارشال فلوم شبیه سازی می شود و نتایج بدست آمده با برداشت های ازمایشگاهی مقایسه می گردند. مقایسه نتایج حاصل از مدل سازی و حل تحلیلی توسط معیار جذر میانگین مربعات خطای نرمال شده برای مسائل درجه حرارت، شکست سد و عبور جریان سطح آزاد از روی برآمدگی مقدار خطای کمتر از 2 درصد و مقایسه خطای مدل عددی و برداشت های آزمایشگاهی برای مساله پارشال فلوم 18 درصد را نشان می دهد. همچنین مقدار ضریب تعیین برای سه مساله اول بیش از 99/0 و برای مساله پارشال فلوم 90/0 است که مبین قابلیت بالای مدل عددی در شبیه سازی جریان سطح آزاد می باشد.
    کلیدواژگان: معادلات آب های کم عمق، روش بدون شبکه المان طبیعی، درونیاب سیبسون، انتگرال گیری گره ای، طرح جهتمند ون، لیر
  • محمد احسان اسدی، امیررضا زراتی، خداداد صفوی صفحات 15-24
    آبشستگی در پایین دست سرریزهای ریزشی در سدهای بلند، یکی از مسائل اساسی در طراحی حوضچه های استغراق و سدهای پایاب می باشد. یکی از روش های کاهش قدرت فرسایش جت آب ریزشی از این سرریزها، استفاده از شکافنده ها بر روی وجه پایین دست سرریز است. در پژوهش حاضر گستره و شیب حفره آبشستگی پایین دست سرریزهای ریزشی آزاد در شرایط وجود و عدم وجود شکافنده، با استفاده از یک مدل آزمایشگاهی بزرگ مقیاس به ارتفاع 6 متر، مورد مطالعه قرار گرفت. در پایان مشخص شد که وجود شکافنده اثرات زیادی بر گستره (طول و عرض) حفره آبشستگی می گذارد و به طور کلی سبب کاهش شیب ها و همچنین کاهش حداکثر طول و عرض حفره آبشستگی می شود. به طور میانگین در حالت وجود شکافنده نسبت به حالت بدون شکافنده، حداکثر طول حفره آبشستگی 20 درصد و حداکثر عرض حفره آبشستگی 17 درصد کاهش یافته است. از طرفی به طور میانگین در حالت وجود شکافنده نسبت به حالت بدون شکافنده، نسبت حداکثر طول به حداکثر عمق حفره 12 درصد و نسبت حداکثر عرض به حداکثر عمق حفره 14 درصد افزایش می یابد. همچنین مشاهده شد که در تمامی حالات وجود شکافنده سبب کاهش شیب حفره آبشستگی می شود.
    کلیدواژگان: آبشستگی، سدهای بلند، سرریز ریزشی، شکافنده
  • یونس امین پور، رضا روشن، جواد فرهودی* صفحات 25-38

    مساله آب شستگی یکی از موضوعاتی است که همواره در طراحی انواع مختلف سازه های هیدرولیکی اهمیت دارد. از جمله این سازه ها، سرریز پلکانی است. هدف از انجام این تحقیق، بررسی تشابه بین نیمرخ های آب شستگی موضعی در پایین دست سرریز پلکانی می باشد. بدین منظور از نتایج حاصل از انجام 67 آزمایش بر روی دو مدل آزمایشگاهی مختلف در محدوده وسیعی از اعداد فرود ذره، طول حوضچه آرامش، عمق پایاب، دانه بندی ذرات رسوبی و دو شیب مختلف سرریز پلکانی استفاده شد. در این تحقیق از 5 طول مختلف حوضچه آرامش در محدوده 37 سانتی متر تا 120 سانتی متر استفاده شد. هم چنین محدوده دبی مورد استفاده 95/88-43/7 لیتر بر ثانیه بود. مدت زمان آزمایش ها 6 ساعته، 8 ساعته، 12 ساعته و 24 ساعته بود. در محدوده دبی مورد نظر، در شرایط یکسان آزمایشگاهی، بیشینه عمق آبشستگی در پایین دست حوضچه آرامش با طول 110 سانتی متر نسبت به بیشینه عمق آبشستگی در پایین دست حوضچه آرامش با طول 37 سانتی متر، 48 الی 78 درصد کاهش پیدا کرد. بر اساس نتایج به دست آمده از داده های آزمایشگاهی، تشابه بین نیمرخ های حفره آب شستگی در پایین دست سرریزهای پلکانی مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور دو روش برای بی بعد کردن نیمرخ های آب شستگی ارائه شد؛ که بر اساس پارامترهای آماری، بهترین روش برای بی بعد کردن نیمرخ های آب شستگی انتخاب و تشابه بین نیمرخ های آب شستگی در پایین دست سرریزهای پلکانی نشان داده شد. روابط پیش بینی کننده عمق بیشینه آب شستگی، فاصله عمق بیشینه از انتهای حوضچه آرامش، طول حوضچه آرامش و حجم رسوبات انتقال یافته به پایین دست بر اساس پارامترهای بدون بعد، در زمان های مختلف بسط داده شد. هم چنین، تاثیر پارامترهای مختلف بر هندسه حفره آب شستگی مورد بررسی قرار گرفت. در مجموع آزمایش ها، 8 پروفیل عرضی در شرایط مختلف (برای دانه بندی و طول حوضچه های آرامش مختلف) برداشت گردید. در یک شرایط آزمایشگاهی معین، مقایسه ای بین آبشستگی در حضور سرریز پلکانی با آبشستگی در حضور سرریز اوجی انجام شد. نتایج بدست آمده نشان داد که وجود سرریز پلکانی بین 06/42 تا 82/74 درصد باعث استهلاک انرژی می شود، که این امر، به جهت کاهش ابعاد حفره آب شستگی ایمنی بیشتر سازه سرریز پلکانی را نسبت به سرریز اوجی تحت شرایط مشابه توجیه می کند.

    کلیدواژگان: آب شستگی موضعی، سرریز پلکانی، تشابه، حوضچه آرامش
  • حمیدرضا توحیدی، حبیب حکیم زاده صفحات 39-53
    شکل پایه ها یکی از مهمترین عوامل تاثیرگذار در فرایند آبشستگی اطراف آنهاست. بررسی تاثیر استفاده از پایه با مقطع متغیر در عمق در کاهش عمق آبشستگی یکی از موضوعات مورد توجه پژوهشگران بوده است. پایه های مورد بررسی در این تحقیق شامل دو دسته اصلی پایه های مبتنی بر پروفیل لگاریتمی، پایه های مخروطی و یک پایه استوانه ای مبنا می باشد. مقطع این پایه ها دایروی بوده و در پایه های لگاریتمی، عرض پایه از کف تا سطح آب با شیبی متناسب با پروفیل لگاریتمی سرعت کاهش می یابد. به دلیل افزایش عرض عبوری جریان در نواحی نزدیک تر به سطح آب در مورد پایه های لگاریتمی و مخروطی، جریانی که دارای حداکثر سرعت در این نواحی است، با سهولت بیشتری از اطراف پایه های مذکور نسبت به پایه استوانه ای عبور کرده و از سرعت آن کاسته می شود. بنابراین فشار دینامیکی در قسمت فوقانی این پایه ها نسبت به پایه استوانه ای کاهش یافته و جریان رو به پایین ضعیف تری در جلوی پایه ایجاد می شود که نتیجه امر کاهش عمق آبشستگی خواهد بود. در این بررسی تجربی و عددی، پایه های لگاریتمی به دلیل داشتن شیب غیرخطی زیاد در مجاورت بستر و شیب غیرخطی کم در نزدیکی سطح آب، در مقایسه با پایه های مخروطی با شیب خطی ثابت در عمق جریان، عملکرد بهتری از خود نشان دادند. نتایج تحقیق نشان داد که سه مدل با پروفیل لگاریتمی متناسب با (mm 78/0d50=)، (mm 1/1d50=) و (mm 3/1d50=) و سه مدل با پروفیل مخروطی با زاویه (o5/5)، (o5/7) و (o5/9) (که در آنها φ زاویه شیب جانبی پایه هاست) به ترتیب با کاهش عمق آبشستگی نسبی 9/55%، 4/65%، 2/73%، 5/38%، 2/47% و 7/52% نسبت به مدل استوانه ای مبنا (به قطر 5/4 سانتی متر) همراه بوده اند. در ادامه به شبیه سازی عددی برخی از آزمایش ها با مدل Flow-3D به روش حجم محدود پرداخته شده است. سرانجام نتایج مدل عددی و تجربی با یکدیگر مقایسه شده و تطابق نسبی منطقی بین آنها مشاهده شده است.
    کلیدواژگان: آبشستگی موضعی، شکل پایه، کنترل آبشستگی، مدل عددی Flow 3D
  • فریبا استادی، محمدرضا مجدزاده طباطبایی، سعید علیمحمدی صفحات 55-72
    آبشکن ها سازه هایی عرضی هستند که در کناره رودخانه ها اجرا شده و باعث انحراف آب از محل کناره ها می شوند. مدل بهینه سازی آبشکن ها که در این مقاله ارائه شده است، متشکل از سه زیرمدل مورفولوژیکی، طراحی و بهینه سازی است. برای بررسی پایداری رودخانه از زیرمدل مورفولوژیکی استفاده می شود. در این زیرمدل ابعاد مقطع پایدار با استفاده از تئوری حدی حداکثر ظرفیت انتقال رسوب محاسبه می شود. سپس با به کارگیری ضوابط طراحی مناسب برای اجزای آبشکن از قبیل طول، ارتفاع، فاصله، تعداد و عمق آبشستگی آبشکن در زیرمدل طراحی، هزینه های ساخت کمینه خواهد شد. نتایج حاصل از دو زیرمدل مورفولوژیکی و طراحی در زیرمدل بهینه سازی، با استفاده از روش وزن دهی به صورت یک مدل بهینه سازی چندهدفه غیرخطی فرموله شده و مورد بررسی قرار می گیرد، تا به این وسیله ابعاد بهینه آبشکن محاسبه شود. به عبارتی زیرمدل بهینه سازی از ترکیب وزنی دو تابع هدف زیرمدل طراحی و زیرمدل مورفولوژیکی تشکیل شده است. مدل توسعه یافته، روند تغییرات هزینه ساخت سازه را نسبت به ظرفیت حمل رسوب کانال که بیان گر وضعیت پایدار رودخانه است، محاسبه می کند. این مدل با استفاده از اطلاعات رودخانه زنجان رود در محدوده پل سرچم، به ازای ضریب وزنی 6/0 برای تابع هزینه و 4/0 برای تابع ظرفیت انتقال رسوب، کالیبره شده است. همچنین تحلیل حساسیت در مدل فوق نسبت به معادلات بار بستر و آبشستگی صورت پذیرفت. نتایج حاصل، حاکی از آن است که به کارگیری معادلات بار بستر و آبشستگی، نقش بسزایی در تعیین ابعاد آبشکن و هزینه های ساخت سازه خواهند داشت. از بین معادلات بار بستر استفاده شده معادله Englund and Fredsoe بیشترین ظرفیت انتقال رسوب و کمترین هزینه، و معادله بار بستر van Rijn کمترین ظرفیت انتقال رسوب و بیشترین هزینه را نتیجه می دهند.
    کلیدواژگان: آبشکن، تئوری های حدی، پایداری رودخانه، هزینه، بهینه سازی چندهدفه
  • سید حسین مهاجری صفحات 73-86
    تعیین کمی زبری یک بستر شنی از اهمیت به سزایی در مطالعات هیدرولیکی برخوردار است. رویکرد سنتی در تعیین زبری بستر بر اساس منحنی توزیع اندازه سنگ دانه ها استوار است. این در حالی است که در رویکرد نوین، تعیین زبری بر اساس ارتفاع نقطه به نقطه بستر استوار می باشد. در این رویکرد، خصوصیات آماری بستر مانند ممان های مراتب گوناگون، ارتفاع نقطه به نقطه، توابع ساختار و خاصیت خودمتشابهی در تعیین زبری مورد استفاده قرار می گیرد. در مطالعه آزمایشگاهی حاضر، در ابتدا روش های موجود در تعیین زبری بستر بر اساس منحنی توزیع اندازه سنگ دانه ها با یکدیگر مقایسه می شوند. سپس در ادامه، رویکرد ارتفاع نقطه به نقطه در تعیین زبری بستر به تفصیل مورد بحث قرار می گیرد. مشاهدات نشان داد که در بین روش های موجود بر اساس رویکرد اندازه سنگ دانه ها، نتایج به دست آمده از اندازه گیری سنگ دانه ها با کولیس کامل تر و دقیق تر از سایر روش ها است. به علاوه قیاس بستر آزمایشگاهی مطالعه حاضر و بستر طبیعی رودخانه ها نشان داد، که با وجود تطابق برخی از خواص آماری این دو بستر (مانند ضریب همبستگی و زبری معادل در راستای طولی)، بسیاری از خواص آماری این دو بستر مانند عدم وجود ساختار خاص در تابع ساختار مرتبه سوم و ضریب چولگی منفی توزیع ارتفاع بستر با یکدیگر متفاوت است. این مشاهده بیان گر این واقعیت است که بستر زبر بسیاری از مطالعات آزمایشگاهی که بر اساس تنها قطر معادل سنگ دانه شبیه سازی می شوند، در عمل می توانند خواص آماری بسیار متفاوتی با بسترهای طبیعی رودخانه ها داشته باشند. لذا توصیه می شود در این نوع مطالعات، بستر شنی به با روش های آماری به طور دقیق تعریف شود، تا حداقل میزان اختلاف با شرایط طبیعی رودخانه مشخص شود.
    کلیدواژگان: خاصیت خودمتشابهی، سنگ دانه های شنی، خصوصیات آماری، ر، زبری بستر
|
  • Pages 1-14
    The present research indicates the ability of mesh-free natural element numerical method in simulation of free-surface flow and consistency of extended second order method of Van-Leer scheme on solving natural element method. The natural element method is based on natural neighbor interpolation. In this study، Sibson interpolation has been used. Nodal integration has been used due to inappropriateness of Gaussian point''s integration. The present method has been validated by two-dimensional heat transfer problem for the diffusion term validation and by one-dimensional dam break problem for the convective term evaluation. Simulation of free-surface flow has been analyzed on non-uniform bed in the channel with a bump. The results obtained are compared with analytical results. In addition، water flow inside the Parshall flume is simulated and results were compared with experimental interpretations. Results of modeling and analytical solutions via normalized root mean square error (NRMSE) for temperature problems، dam break and free-surface flow show NRMSE of less than 2% while 18% for Parshall flume test. In addition، the determination coefficient of numerical model for the first three tests are higher than 0. 99 and 0. 90 for the Parshall flume which suggests high capability of numerical model in simulation of free-surface flow.
    Keywords: Shallow Water Equations, Mesh, Free Natural Element Method, Natural Neighbor, Sibson Interpolation, Nodal Integration, Van, Leer Scheme
  • A.R. Zarrati Pages 15-24
    Scouring downstream of overflow spillways is an important factor in the design of plunge pools and tail-pond dams. One of the methods to reduce scouring of falling jets is employing splitters on overflow spillway. Splitters cause the falling jet to expand and entrain air. As a result، the jet strength for scouring reduces. In the present work the scour hole extent and slopes located downstream of an overflow spillway with or without splitters is studied in a large hydraulic model with 6 m height. Experiments were conducted with different discharges and tail water depths. It was found that splitters reduce the scour hole slopes as well as the scour extent (width and length). Experiments show that with splitters the maximum width and length of the scour hole reduced by 17% and 20%، respectively. It was also concluded that with splitters، the ratio of scour hole length to its depth increased by 12% and the ratio of scour hole width to its depth increased by 14%. It was also observed that the scour hole slopes reduce in all experiments when splitters are present.
    Keywords: Scouring, Dams, Overflow Spillways, Splitter
  • Younes Aminpour, J. Farhoudi Pages 25-38

    Scouring is one of the issues that is important in the design of various types of hydraulic structures. One of these structures is a stepped spillway. The aim of this study is to evaluate the similarity between the profiles of scour holes downstream of the stepped spillway. To do so، results of 67 experiments in two different experimental models were used; these results were in a wide range of particle Froude number، the stilling basin length، downstream depth، sediment particle size distribution and two different slopes of stepped spillway. In this study، 5 different lengths of stilling basin، from 37 cm to 120 cm، were used. Also، the range of utilized discharge was from 8. 43 lit/s to 88. 95 lit/s. Duration of the tests were selected to be 6-hours، 8 hours، 12 hours and 24 hours and، in total، 834 scour profiles and approximately 85000 points to were used derive required relations and to performother analyzes. Based on the experiments results، the similarity between scour-holes located in downstream of stepped spillway was analyzed. In this process، two methods were used to make the profiles dimensionless. Based on statistical parameters، best method was selected and similarity of downstream profiles were shown. Relations that predict maximum scour depth، the distance from maximum depth to the end of the stilling basin and volume of transported sediments are developed based on the dimensionless parameters in different time periods. Furthermore، impact of different parameters on the geometry of scour holes were studied. When the Froude number increases، while all other parameters are constant، the dimensions of the scour-hole increases. When the stepped spillway slope increases، the dimensions of the scour-hole decreases and، moreover، when the tail water depth increases، while all other parameters are constant، a deeper hole with longer longitudinal distance forms. Overall، 8 cross section profiles under different conditions were taken. These profiles indicate transverse development of the scour-hole، in addition to longitudinal development.

    Keywords: Local Scour, Stepped Spillway, Similarity, Stilling Basin
  • H. Tohidi, H. Hakimzadeh Pages 39-53
    The piers’ shape may be considered as one of the key factors in controlling the scour process around it، as this mainly changes the stream flow pattern around the structure. Furthermore، piers with variable section in depth may also be of interest in reducing the scour around them. The aim of this study was to evaluate the effectiveness of the piers with lateral boundaries fitted by velocity profile due to steady flow، in reducing local scour، when compared to the circular and conical shaped piers. The section of the piers was circular and the widths or diameters of these piers reduce from bed to water surface with a slope fitted by velocity profile. Due to increasing flow discharge close to the water surface، the flow which has maximum velocity in this region will then pass around the piers easier than the cylindrical pier and its velocity is reduced. Therefore، in using these piers، the dynamic pressure in upper regions decreases relative to that of the cylindrical pier and there will be a weaker down flow in front of pier which will consequently cause decreasing of the scour depth. The models tested in this study were three models with logarithmic profiles fitted by (d50=0. 78، 1. 1، 1. 3 mm) and three models with conical profiles by (degrees، in which φ is the angle of lateral slope). Then، the relative scour depth for these models compared with the cylindrical reference model and the maximum scour depth decreased with the rate of 55. 9%، 65. 4%، 73. 2%، 38. 5%، 47. 2% and 52. 7%، respectively. These tests have been performed in a wide flume at hydraulic research laboratory and under clear water conditions over12 hours using relatively uniform sediments particles. For the numerical models، the maximum scour depth around the piers was simulated using Flow-3D model. It was found that the numerical model results were in reasonably good agreement with the experimental data.
    Keywords: Local Scour, Pier Shape, Scour Control, Flow 3D Numerical
  • Fariba Ostadi, Saeed Alimohammadi Pages 55-72
    Spur-dikes are river cross structures attached to river banks which cause flow deflection. Optimization modeling of spur-dikes is composed of three modules: morphological، design and optimization module. Morphological module is applied to investigate river stability. Stable cross-section dimensions are computed by maximum sediment transport capacity of external hypothesis. Then، by applying appropriate design criteria for spur-dikes components، such as length، height، distance، number and scour hole depth، construction cost are minimized in design module. Finally، results obtained from morphological and design modules are formulated as a nonlinear multi objective optimization function by weighting method in optimization module to compute optimum dimensions of the spur-dikes. In other words، optimization module is a weighting combination of two objective functions of design and morphological module. The developed model computes variation of construction cost of super-dike with respect to sediment transport capacity of the canal، an indicative of river stability. By applying Zanjanrood river data near Sarcham Bridge، the model has been calibrated for weighting coefficient of 0. 6 and 0. 4 for cost and sediment transport capacity functions، respectively. Sensitivity analysis has also been carried out with respect to bed load and scour hole depth equations، which shows that they play an important role in determination of the super-dikes dimensions and construction cost. Among the bed load equations applied، Englund & Fredsoe’s have shown maximum sediment transport capacity and minimum cost while van Rijn’s، on the contrary، performed minimum sediment transport capacity and maximum cost.
    Keywords: Spur, Dike, External Hypothesis, River Stability, Cost, Multi Objective Optimization
  • Seyed Hossein Mohajeri Pages 73-86
    The accurate and quantitative description of gravel bed roughness is essential in hydraulic studies. Traditional approach for characterization of random bed roughness relies on grain size distribution curve. However، in recent years، as an alternative approach، gravel bed is considered as a random field of bed elevations which varies point by point in longitudinal and transversal directions. In fact، in new approach، a more comprehensive description of the gravel bed is provided by the statistical analysis (e. g. correlations، spectra، structure functions) of bed elevations. In present laboratory study، the results of employing these two approaches to an artificial gravel bed are reported. Existing methods for estimation of grain size distribution curve (sieve analysis، image analysis and caliper measurements) are reviewed and their results are compared. The comparison shows that grain size measurement using caliper is the most suitable method. Moreover، comparison between characteristics of artificial gravel bed in present study and natural water-worked gravel bed in rivers، obtained from statistical analysis، shows that despite the simplicity of the employed method for creating our laboratory gravel bed، most of their characteristics are different. This observation highlights the importance of statistical characterization of roughness. Therefore، in laboratory study of gravel bed، it is recommended to precisely determine roughness characteristics. This will quantify the difference of natural river beds and artificial rough bed in experimental flumes.
    Keywords: Fractal Analysis, Gravel Bed, Statistical Analysis, Structure Function, Bed Roughness