انتخاب صفحه

مقدمه

علم هیدرولیک همواره ازجنبه های مختلفی موردتوجه بوده است ودارای حوزه های مطالعاتی متنوعی می باشد.یکی ازمهمترین این حوزه ها،بحث رسوب وانتقال آن درکانال ها ورودخانه ها و همچنین انباشت آن درمخازن سدها می باشد که همواره این مسئله یکی ازمشکلات اساسی بهره برداری ازمخازن وسازه های هیدرولیکی می باشد.لذا محاسبات دقیق مسئله رسوب ونحوه انتقال آن وتجمع آن درکانال ها ومخازن سدها ازاهمیت بسیار زیادی برخوردار است.به طور کلی هدف ازشبیه سازی انتقال رسوب وتجمع آن درمخازن،شناخت رفتار آن درشرایط مختلف هیدرولیکی وهیدرولوژیکی وپیش بینی رفتار آینده آن خواهد بود.شبیه سازی دقیقی که بر مبنای روش های عددی یاتحلیلی صورت گیرد میتواند مبنای پیش بینی قرارگیرد.به طور کلی امروزه استفاده ازروش های متعدد عددی مانند حجم محدود،تفاضل محدود،روش خطوط مشخصه،اجزاء محدود وغیره درمهندسی هیدرولیک ومدلسازی وحل روابط آن گسترش زیادی یافته است.از جمله مباحثی که درحل مسائل آن ازروش های عددی استفاده میگردد مهندسی رسوب است.محققین مختلفی تاکنون برروی مابحث مختلف مهندسی رسوب وحل آنها بوسیله تکنیک های عددی تلاش نمودند وبوسیله این روش ها راهکارهای سازه ای وغیر سازه ای ارائه نمودند.درواقع بابررسی الگوهای مختلف جریان دررودخانه ها وچگونگی حرکت رسوب وانباشت آن،سعی دریافتن راه حل های مختلف جهت مقابله بامشکلات ناشی ازآن نمودند.تحقیقی که درپیش روقرار دارد به بررسی این مطالعات وهمچنین روش ها محاسبه رسوب،سرعت آب،چگونگی انتقال رسوب وغیره می پردازد.درادامه به کاربرد روش های مختلف عددی همچون تفاضل محدود وحجم محدود در محاسبات مربوط به رسوب پرداخته میشود.درواقع علاوه برمعرفی روش های عددی،شرایط وروابط حاکم برآن مانند شرایط پایداری وهمگرایی وغیره توضیح داده میشود.همچنین روش های عددی حل معادلات ناویر استوکس که در واقع معادلات مربوط به سرعت وآشفتگی جریان آب دررودخانه میباشد،تشریح میگردد.ازجمله مباحث دیگری که تحقیق حاضر به آن میپردازد بحث دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) به عنوان یکی از علوم نوین درمهندسی آب وهیدرولیک می باشد که به محاسبه جریان سیال ومتغیرهای مرتبط باآن بااستفاده ازکامپیوتر می پردازد.اکثر مدل ها مرتبط بامهندسی هیدرولیک ورسوب غالبا ازنوع مدل های فیزیکی هستند ومشکل اکثر این مدل ها زمان بربودن وپرهزینه بودن آنها میباشد،درحالی که استفاده ازمدل های CFD این مشکل را برطرف کرده ودقت محاسبات رابالا خواهدبرد.

4

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فهرست مطالب

بخش اول:کلیات ومروی بر کارهای انجام شده       

1-0- مقدمه 1

1-1- تعریف جریان های چگالی(گل آلود)     2

1-2- مدلسازی دوبعدی رسوبگذاری مخازن سدها دراثر جریان چگالی   4

1-3-اعمال روش مشخصه ها به یک مدل دوبعدی افقی دولایه ای رسوبگذاری درمخازن 5

1-4-مدیریت رسوبگذاری مخازن بوسیله ابزارهای فنی   6

1-5-محسابه ی سه بعدی بازدهی تله ی یک تله ی ماسه   8

1-6-انباشت رسوب وحرکت های بستر دریک تله ی ماسه   10

1-7-محاسبه ی جریان آب ورسوب دریک مخزن برقابی   11

1-8-تخلیه ی مخزن   12

1-9-آبشستگی موضعی 14

1-10-جریان های گل آلود     15

1-11-سرریزها   16

1-12-موج سیلاب     18

1-13-الگوی جریان دررودخانه ها     19

بخش دوم:مروری بر روش های عددی   20

پیش زمینه برایCFD درمهندسی هیدرولیک ورسوب         20

فصل اول:شبکه ها(Grids)

2-1-0-مقدمه

یک مفهوم پایه ای(CFD)،تقسیم هندسه ی سیال به المان ها یاسلول ها وبعد،حل یک معادله برای هرسلول است.درمطالب این فصل،برای اجتناب ازاشتباه گرفتن باروش المان محدود،بجای المان،از واژه ی سلول استفاده خواهدشد.الگوریتم های شرح داده شده دربخش های بعد بجز فصل چهارم که معرفی کوتاهی ازروش المان محدود است،براساس روش احجام محدود میباشند.

2-1-0-مقدمه     21

2-1-1-طبقه بندی(کلاس بندی)   21

2-1-2-شماره گذاری شبکه ی باساختار   25

2-1-3-کیفیت های شبکه   26

2-1-4-تولید شبکه ی بیضوی 27

2-1-5-توصیه های عملی برای ایجاد شبکه های باساختار غیرمتعامد     29

شبکه ی غیرمبهم مورداستفاده درروشQUICK

شبکه ی غیرمبهم مورداستفاده درروشQUICK

فصل دوم:محاسبه ی انتقال رسوب

2-2-0-مقدمه

این فصل روش هایی رابرای محاسبه ی انتقال رسوب معلق درجریان آب توضیح میدهد.روش های یکسان رامیتوان برای محاسبه سایر پارامترها مانند پارامترهای تشکیل دهنده ی کیفت آب،دما وغیره بکار برد.اغلب فهمیدن مساله،هنگامی که متغیر مجهول،غلظت ذرات است،ساده تر است.چراکه تصور شار رسوب معلق ازسطوح سلول ها،هنامی که میتوان تصور کرد ذرات رسوب بوسیله جریان آب ازسطوح یک سلول رانده میشوند،ساده تراست.ابتدا فرآیندهای انتقال شرح داده شده وسپس الگوریتم های عددی توضیح داده میشوند.باید توجه شود که روش هایعددی شرح داده شده دراین بخش برای محاسبه ی میدان سرعت آب نیز بکار میروند.امافکر کردن درمورد این مساله،فهمیدن روش ها راسخت تر میکند؛بنابراین باید ابتدا این بخش وسپس فصل سوم برای یادگیری بیشتر درباره ی محاسبه ی میدان سرعت مطالعه شوند.

2-2-0-مقدمه     32

2-2-1-فرآیند انتقال   32

2-2-2-معادله ی انتقال-پخش   33

2-2-3-روش های گسسته سازی     34

2-2-4-تولید شبکه ی بیضوی     27

2-1-5-توصیه های عملی برای ایجاد شبکه های باساختار غیرمتعامد 29

2-2-0-مقدمه     32

2-2-1-فرآیند انتقال         32

2-2-2-معادله ی انتقال-پخش   33

2-2-3-روش های گسسته سازی   34

2-2-4-طرح مرتبه اول بالادست     36

2-2-5-طرح قانون توانی     39

2-2-6-طرح مرتبه دوم بالادست       40

2-2-7-طرحQUICKا       42

2-2-8-طرح های محدود کننده ی شار     44

2-2-9-مدل ها آشفتگی ساده   45

2-2-10-شرایط مرزی     46

2-2-11-محاسبات وابسته به زمان     48

2-2-12-پایداری وهمگرایی   49

2-2-13-پخش غلط   51

2-2-14-برنامه ریزی صفه ی گسترده     53

طرح شماتیک سه بعدی جریان گل آلود دریک مخزن

طرح شماتیک سه بعدی جریان گل آلود دریک مخزن

فصل سوم:محاسبه ی سرعت آب

2-3-4-1-جریان ورودی

درمرز جریان ورودی،باید ازشرط مرزی دیریخله استفاده شود.استفاده ازاین شرایط برای سرعت ها نسبتا ساده،ولی معمولا برای مشخص کردن آشفتگی سخت تر است؛بنابراین استفاده ازیک مدل آشفتگی ساده،شبیه به معادله ی(2-2-14) برای تعیین لزجب گردابه ای امکان پذیراست.همچنین با سرعت داده شده،تخیمن تنش برشی دربستر مرز ورودی امکان پذیر است.پس انرژی جنبشی آشفتهk،دربستر جریان ورودی بامعادله ی زیر تعیین میشود:

این معادله براساس تعادل بین تولید وازبین رفتن آشفتگی درسلول بستراست.باداشتن مقادیر لزجت گردابه ای وkدربستر،معادله ی(2-3-13) مقدار رادربستر محاسبه میکند.اگر فرض شودk ازبستر تاسطح بصورت خطی تغییر میکند-برای مثال بانصف مقدار سطح در بستر-میتوان معادله(2-3-13) راهمراه باپروفیل لزجت گردابه ای برای محاسبه توزیع عمودیبکار برد.

2-3-0-مقدمه   57

2-3-1-معادلات ناویر-استوکس 57

2-3-2-روشSIMPLEا     59

2-3-3-مدل های آشفتگی پیشرفته   62

2-3-3-1-مدل ()ا       63

2-3-3-2-سایر مدل های آشفتگی پیشرفته   64

2-3-4-شرایط مرزی   65

2-3-4-1-جریان ورودی 66

2-3-4-2-جریان خروجی   67

2-3-4-3-سطح آب   67

2-3-4-4-بستر/دیواره 67

2-3-5-پایداری وهمگرایی 68

2-3-5-1-آسودگی(راحت کردن)     68

2-3-5-2-چندشبکه ای وتصحیح بلوکی 68

2-3-5-3-درون یابی ری وچو   70

نمای سه بعدی تله ی ماسه برای محاسبات حالت غیرماندگار

نمای سه بعدی تله ی ماسه برای محاسبات حالت غیرماندگار

فصل چهارم:مروری کوتاه برروش المان محدود

درفصل های قبل،درباره ی روش احجام محدود توضیح داده شد.بسیاری ازبرنامه هایCFD بجای این روش،روش المان محدود رابکار میگیرند.روش المان محدود،بیشتر بصورت ریاضی (تئوریک) شناخته میشود وتشریح آن بافرآیند های فیزیکی سخت تراست.دراین فصل،مروری کوتاه بر روش المان محدود،که درآن تعداد ازعبارت های مشخصه توضیح داده شده است،ارائه میشود.نقاط محاسبه یاگره درروش المان محدود برای المانی با 9گروه میتوانند مشابه شکل زیر باشند.مجموع فوق روی همه ی m گره المان(برای مثال 4یا9گره )است.متغیر S یک تابع درون یابی برای نقاط محاسباتی دریک المان محدود بوده وبرای همه المان های یکسان است.تابع درون یابی،یک چندجمله ای وتابعی ازمحل گره روی المان است.Sآرایه ای با4 یا9المان،بسته به تعداد گره های موجود روی المان است.تابع درون یابی،تغییریک متغیررابرروی سطح سلول توضیح میدهد.اگرتابع انتخاب شده ،مقداری ثابت باشد،توزیع یکسانی رابه همن شکل مورداستفاده درروش احجام محدود بدست آوریم.

روش المان محدود رامیتوان به راه های مختلفی رابطه بندی کرد.اغلب،ازیک روش باقی مانده وزنی استفاده میشد.بنابراین معادلات پایه بایک تابع وزنی،W،ضرب شه وروی المان انتگرال گیری میشوند.اگر تابع وزنی برابر با تابع درون یابی(S=W) باشد،رابطه بندی بدست آمده توسط گالرکین بکار میرود.نتیجه ی انتگرال گیری،باقی مانده است که مقدار آن حداقل شده است.معادله ی دارای باقی مانده،معادله ی باقی مانده نامیده میشود.جمله ای که اغلب درروش المان محود باان برخورد میشود،رابطه بندی ضعیف است واین به معنی است هنگامی رابطه بندی دستگاه معادلات،هیچ محدودیتی که براساس آن،مشتق مجهولات،نیازمند به موجود بودن درسطح بین المان ها باشند،وجود ندارد؛بطور ی که این مساله درتقابل با(برضد) معادلات دیفرانسیل اصلی قرار میگیرد.رابطه بندی گالرکین،یک رابطه بندی ضعیف بوده واثر اصلی رابطه بندی ضعیف است که پیوستگی جرم درروش حل،به صورت خودکار نیازمند ارضا شدن نیست.

بعداز انتگرال گیری روی یک المان،یک معادلهبا9یا4 مجهول برای هر المان وبرای همه یn المان شبه،n عدد معادله ومجهول وجود خواهد داشت؛البته تقریبا مقادیر همه ی متغیرهای روی حاشیه ی یک سلول معلوم می باشند؛بعبارت دیگر،متغیر موجود دریک نقطه،دربیشتر ازیک معادله استفاده میشود.سیستم مجهول ومعادلات رامیتوان باضرب یک ماتریس ضرایب مجهول،A؛در ماتریس متغیرها،B،تشکیل داده ونتیجه رابرابر باصفر تنظیم کرد.اندازه ماتریسA،n واندازه ی ماتیسB، است.یک روش المان محدود اغلب،یک مش بدون ساختار رابکار میبرد؛به این معنی که ماتریس A،نامتراکم است.برای حل سیستم معادلات،لازم است ماتریس،معکوس شود که یک روند کاملا وقت گیراست.بنابراین داشتن یک حلگر خوب درروش المان محدود ضروری است.

بااستفاده ازروش احجام محود دریک شبکه ی باساختار،یک ساختار بصورت باند در ماتریسA وهمچنین المان های غیرصفر کمتر برای هرسطر وجود خواهد داشت.این مساله دراصل،اساسا به معنی نیاز به منابع محاسباتی کمتر ویک حلگر بسیار ساده تراست.همچنین باید توجه کرد که روش المان محدود،مشکلات پایداری راهمانند روش احجام محدود نتیجه خواهد داد.استفاده ازحلگرهای ضمنی،طرح های بامراتب بالای بالادست وغیره برای روش المان محدود،مشکل تر ازبکاربردن روابط مشابه باروش احجام محدود است.این مساله بویژه در شبکه های بدون ساختار که درآنها بدست آرودن یک روش مرتبه بالای دست مشکل است،بارزتر است.بسیاری از برنامه های المان محدود،برای غلبه براین مشکلات،روش های گوناگونی رابادرجه ی متغیر موفقیت بکار میگیرند.درحال حاضر مباحثه درمورد اینکه کدام روش(روش احجام محود یا روش المان محدود)بهتراست،هنوز ادامه دارد.اما،تقریبا همه مدل های تجاری عمومی سه بعدیCFD،ازروش احجام محدود استفاده میکنند.

فصل پنجم:مروری کوتاه بربرنامه هایCFD پیشرفته درمهندسی هیدرولیک

2-5-0-مقدمه

برنامه های CFD،باسرعت بسیار زیادی درحال پیشرفت وتحول می باشند.مرور زیر براساس تجربیات انجام گرفته دسال های 1999-1990 ونیزا طلاعات بدست آمده ازمقاله ها واینترنت است.بی شک،این اطلاعات بدلیل اینکه برنامه ها متحول شده وبرنامه های جدید عرضه میشوند،تغییرخواهدکرد.این مرور شامل هردونوع مدل های دوبعدی وسه بعدی می باشد؛البته تعدادی ازمدل ها نیزنیمه سه بعدی هستند؛به این معنی که فشار هیدرولیکی،استاتیک ف رض میشود ومدل ها نباید برای شیب های بزرگتر از1:10 درجهت جریان،بکار روند.برنامه های CFD ساده تر،حذف شده وفقط مدل های پیشرفته تر،باشروع ازمدل های دوبعدی با شبکه های غیرمتعامد که درنهایت به مدل ها سه بعدی ختم میشوند،معرفی شده اند.همچنین تعدادی ازبرنامه های CFD پیشرفته به این علت که دردسترس عموم نبوده ولذا از جذابیت کمتری برخوردارند،حذف شده اند.مدل ها غالبا برای محیط آبی بکار رفته ومدل ها ومسائل مرتبط باماشین آلات هیدرولیکی حذف شده اند.قیمت یک برنامه رامیتوان باقیمت یک کامپیوتر مقایسه کرد.دراینجا،قیمت یک برنامه ی نسبتا ارزان،درمحدوده ی برابر باقیمت یک کامپیوتر خانگی وقیمت یک برنامه ی نسبتا گران،درمحدوده ی برابر برقیمت یک(high-end UNIX workstation)ارزیابی شده است.

2-5-0-مقدمه 75

2-5-1-SSIIMا             75

2-5-2-FLUENTا             76

2-5-3-FIDAPا             77

2-5-4-STAR-CDا         77

2-5-5-TELEMACا             78

2-5-6-FLOW-3Dا       79

2-5-7-TABSا     79

2-5-8-FOENICSا     80

2-5-9-CFXا         81

مراجع    82

چکیده انگلیسی   83

فهرست جدول

2-2-1-برنامه ریزی صفحه گسترده   54

فهرست شکل ها

1-1-طرح شماتیک دوبعدی جریان گل آلود دریک مخزن   3

1-2-طرح شماتیک سه بعدی جریان گل آبود دریک مخزن     4

1-3-ابزارهای فنی برای مدیریت جریان گل آلود دریک مخزن     8

1-4-نمای سه بعدی تله ی ماسه درمدلSSIIMا     9

1-5-پروفیل غلظت اندازه گیری شده(ضربدرها) ومحاسبه شده(خطوط)     9

1-6-نمای سه بعدی تله ی ماسه برای محاسبات حالت غیرماندگار   10

1-7-نقشه ی خطوط ارتفاعی ازبستر محاسبه شده   11

1-8-پروفیل طولی فلوم دارای رسوبات درطول خط تقارن   11

1-9-بردارهای سرعت میانگین عمقی دریک مخزن برقابی کوچک(Garita)ا     12

1-10-سرعت های محاسبه شده فرآیند تخلیه ی مخزن 13

1-11-نقشه ی خطوط ارتفاعی سطوح بستر محاسبه شده   14

1-12-آبشستگی محاسبات واندازه گیری شده؛ارتفاع ها به سانتی متر داده شده اند   15

1-13-بردارهای سرعت محاسباتی درپروفیل طولی     16

1-14-توسعه ی گذرای غلظت جریان چگالی(گل آلود)محاسبه شده   16

1-15- شبکه ی محاسباتی سطح آب وبستر     17

1-16-نیروهای سیلاب محاسبه شده واندازه گیری شده برروی استوانه   18

1-17-نتایج بدست آمده ازAquaDyn(بالا) و SSIIM(پایین)       19

2-1-1-شکل های مثلثی وچهارگوش برای سلول ها   21

2-1-2-شبکه های متعامد(چپ) وغیرمتعامد(راست)     22

2-1-3-سیستم های مختصات متعامد(چپ) وغیرمتعامد منطبق برخطوط شبکه(راست)   22

2-1-4-شبکه های باساختار(چپ) وبدون ساختار(راست)     23

2-1-5-شبکه ی چندبلوکی   23

2-1-6-شبکه مبهم(بالا)،شبکه ی غیرمبهم(وسط) وطرح کلی متغیرها درالمان محدود(پایین)   24

2-1-7-شماره گذاری خطوط شبکه(بالا) وشماره گذاری سلول شبکه(پایین) 25

2-1-8-نسبت های سیما(منظر) وانبساط 27

2-1-9-شبکه ی تولید شده به روش درون یابی قابل انقال محدود   28

2-1-10-شبکه ی تولید شده به روش بیضوی(استفاده از توابع جذب)که درآن P=0ا       28

2-1-11- شبکه ی تولید شده به روش بیضوی(استفاده از توابع جذب)که درآنا     29

2-1-12-شبکه بایک ناحیه ی بیرون بلوکی با سلول   30

2-1-13-شبکه ی غیرمتعامد بانسبت سیمای بزرگتر از1ا       31

2-2-1-مولکول مورد استفاده درگسسته سازی   35

2-2-2-شبکه ی غیرمبهم مورداستفاده درروش مرتبه اول بالادست       37

2-2-3- شبکه ی غیرمبهم مورداستفاده درروش مرتبه دوم بالادست       40

2-2-4-مولکول محاسباتی درروش مرتبه دوم بالادست   41

2-2-5-شبکه ی غیرمبهم مورداستفاده درروشQUICKا   43

2-2-6-توزیع عمودی پخشیدگی         45

2-2-7-روش صریح(چپ) وضمنی(راست)       48

2-2-8-روش اختلاف مرکزی       49

2-2-9-پروفیل غلظت تئوریک رسوب دریک تله ی ماسه 51

2-2-10-شبکه بامقادیر غلظت   52

2-3-1-سری زمانی سرعت جریان دریک نقطه       57

2-3-2-شبکه ریز(راست)،شبکه اصلی(وسط) وشبکه ی درشت(چپ)     69

2-3-3-شبکه درشت1(راست)،شبکه درشت2(وسط) وشبکه اصلی(چپ)       70

2-4-1-نقاط محاسباتی درالمان محدود     72



مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصاله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

قیمت45000تومان