فهرست مطالب

مجله هیدرولیک
سال یازدهم شماره 3 (پاییز 1395)

  • تاریخ انتشار: 1395/09/30
  • تعداد عناوین: 6
|
  • مقاله کامل
  • افشین فولادی سمنان، محمدرضا جعفرزاده* صفحات 1-14
    نقاط شکست به دلایل طبیعی و یا غیرطبیعی در بستر رودخانه ها به صورت پله های متوالی شکل می گیرند. در تحقیق حاضر مهاجرت دو نقطه شکست متوالی در بستر ماسه ای یک کانال مستطیلی با شیب ملایم به ازای دبی های مختلف، به طور آزمایشگاهی و عددی بررسی شده است. با شروع جریان دو نقطه شکست اولیه در مدت زمان کوتاهی ناپایدار شدند. نقطه شکست اول به سبب فرسایش و کف کنی به صورت یک موج تیز پسرو به بالادست و نقطه شکست دوم به سبب رسوبگذاری به صورت یک موج پیشرو به پایین دست کانال مهاجرت کردند. همراه با پسروی نقطه شکست اول، یک پشته ی کناری در پایین دست آن شکل گرفت که به بالادست کانال توسعه یافت. در پایین دست این پشته و قبل از نقطه شکست دوم، آبراهه پیچانی شد. در حد فاصل دو نقطه شکست، بستر کانال با شیب تندی گسترش پیدا کرد. افزایش دبی سبب افزایش نرخ حرکت دو نقطه شکست شد. بنابراین اثرات مهاجرت نقاط شکست تنها محدود به تغییرات تراز نشد، بلکه کانال را در پلان ناپایدار کرد. معادلات جریان و انتقال رسوب با نرم افزارHEC-RAS (V4.1.0) به ازای توابع مختلف انتقال رسوب حل شدند. در مقایسه با داده های آزمایشگاهی موجود، رابطه های انتقال رسوب لارسن و ایکرز-وایت از دقت بهتری برای پیش بینی تغییرات تراز بستر برخوردار بودند.
    کلیدواژگان: نقطه شکست، فرسایش و رسوبگذاری، معادلات انتقال رسوب، HEC، RAS
  • زهره دهقان بهابادی، محمدرضا هادیان*، امیررضا زراتی صفحات 15-32
    در این تحقیق تاثیر محاسبه سرعت روی وجوه سلول در یک مدل عددی دوبعدی قائم برای حل معادلات نویر-استوکس غیردائمی با قابلیت محاسبه فشارهای دینامیک، برای جریان های با سطح آزاد بررسی شده است. در این مدل با بهره گیری از الگوریتم پروجکشن، معادلات در سیستم مختصات منحنی الخط غیرمتعامد در شبکه ای هم مکان حل می شوند و برای برآورد مقادیر سرعت (شار) روی وجوه حجم کنترل، از روش «میان یابی خطی»، و چند روش «میان یابی مومنتم» استفاده شده است. نتایج گویای آنست که، اگر تغییرات شیب بستر و شیب سطح آب ملایم باشد؛ دقت مدل سازی عددی با استفاده از انواع روش های «میان یابی مومنتم»، یکسان خواهد بود. همچنین شبیه سازی با استفاده از «میان یابی خطی» در این شرایط، دقت قابل قبولی را در پی خواهد داشت. از سوی دیگر، اگر شیب سطح آب تند باشد، نوسانات غیرواقعی فشار به نحوی شدت می گیرند که استفاده از «میان یابی خطی» سیستم را به سمت واگرایی سوق می دهد و برای حل این چالش، به کارگیری روش های «میان یابی مومنتم» ضرورت می یابد. بررسی زمان لازم برای پردازش آزمون های انجام شده همچنین نشان می دهد، استفاده از روابط «میان یابی مومنتم» با روابط پیچیده تر نسبت به «میان یابی خطی»، سبب صرفه جویی بیشتر در هزینه محاسبات می شود. درصورت کوچک بودن مولفه قائم سرعت در مقایسه با مولفه افقی که در بسیاری از جریان های سطح آزاد برقرار است؛ اهمیت برآورد سرعت روی وجوه حجم کنترل، در راستای طولی کانال بیشتر از راستای قائم می باشد. نتایج تحقیق حاضر نشان می دهد در چنین شرایطی اگر روابط «میان یابی مومنتم» فقط برای برآورد سرعت روی وجوه شرقی و غربی حجم کنترل استفاده شود و برای وجوه بالا و پائین از «میان یابی خطی» استفاده شود، ضمن کاهش هزینه محاسبات، دقت و کارایی مدل کاهش نمی یابد.
    کلیدواژگان: سطح آزاد، روش پروجکشن، مختصات منحنی الخط، شبکه هم مکان، سرعت روی وجه سلول، میانیابی مومنتم
  • امین محمودی *، حبیب حکیم زاده، محمد جواد کتابداری، محمد واقفی صفحات 33-45
    در این مقاله به بررسی آزمایشگاهی پیشروی و شکست موج منظم پریودیک بر روی موج شکن مستغرق ذوزنقه ای نفوذناپذیر پرداخته شده است. آزمایش های مورد نظر در فلوم موج آزمایشگاه مهندسی سواحل دانشگاه گریفیث استرالیا انجام شده است. همچنین در ادامه از یک مدل عددی لاگرانژی بدون شبکه، به نام مدل هیدرودینامیک ذرات هموار نسبتا تراکم پذیر (WCSPH) برای شبیه سازی پیشروی موج منظم بر روی موج شکن مستغرق نفوذناپذیر استفاده شده است. این مدل، دو بعدی بوده و سیال را به صورت کمی تراکم پذیر در نظر می گیرد و علاوه بر حل معادلات حاکم بر سیال لزج برای بدست آوردن میدان سرعت و چگالی، از حل معادله حالت برای بدست آوردن فشار استفاده می کند. این مسئله باعث کاهش حجم محاسبات نسبت به روش پایه مدل هیدرودینامیک ذرات هموار می شود. برای شبیه سازی آشفتگی سیال در روند پیشروی و شکست موج بر روی موج شکن مستغرق نفوذناپذیر، از مدل آشفتگی SPS که بوسیله تئوری شبیه سازی گردابه های بزرگ (LES) بدست آمده، استفاده شده است. در تحقیق حاضر، برای بررسی دقت مدل در شبیه سازی پیشروی موج منظم بر روی موج شکن مستغرق نفوذناپذیر، نتایج مدل عددی حاضر با نتایج آزمایشگاهی حاضر مورد مقایسه قرار گرفته است. همچنین نتایج مدل عددی حاضر با نتایج مدل عددی Rambabu و Mani (2005) مورد مقایسه قرار گرفت،که نتایج مدل عددی حاضر از تطابق بهتری با نتایج آزمایشگاهی برخوردار بود. نتایج این تحقیق نشان داد که مدل عددی تهیه شده، ابزاری قوی برای شبیه سازی پیشروی موج بر روی موج شکن مستغرق می باشد.
    کلیدواژگان: مدل آزمایشگاهی، هیدرودینامیک ذرات هموار، موج شکن مستغرق، پیشروی موج، شکست موج
  • آرمان محمدی، مهناز قایینی حصاروییه * صفحات 47-58
    در این تحقیق به کمک روش المان تحلیلی به بیان یک راهکار موثر برای مدل سازی دو بعدی جریان آب زیرزمینی یک منطقه با مقیاس وسیع در حالت دائمی پرداخته شده است. روش المان تحلیلی با استفاده از حل معادلات لاپلاس و معرفی توابع خطی، تاثیر ویژگی های هیدرولوژیکی را به طور مستقیم در مدل اعمال می کند. در الگوریتم ارائه شده، قبل از ترکیب المان ها، دبی پتانسیل ویژگی های هیدرولوژیکی به دست آمده و با استفاده از اصل برهم نهی با هم جمع شده و سپس به دبی پتانسیل کل آبخوان اضافه خواهد شد. برای مقایسه نتایج مدل المان تحلیلی، مدلسازی به روش هم آیی نقطه ای که از روش های بدون شبکه بر پایه روش المان محدود است، نیز انجام گرفته است. در این روش یک سری نقاط برای پوشش دامنه در نظر گرفته شده و برای حل معادلات حاکم از توابع شکل استفاده می شود. ارزیابی الگوریتم ارائه شده توسط داده های میدانی دشت نیشابور انجام شده است. واسنجی مدل ها توسط توسعه الگوریتم اجتماع ذرات انجام گرفته است و پیاده سازی مدل ها نیز توسط زبان برنامه نویسی شی گرا پایتون صورت گرفته است. نتایج به دست آمده نشان می دهد در روش المان تحلیلی، عدم نیاز به درونیابی و استفاده از اصل برهم نهی توابع خطی باعث کم شدن پیچیدگی و افزایش دقت مدل سازی جریان آب زیرزمینی در مقیاس بزرگ شده است.
    کلیدواژگان: روش المان تحلیلی، روش هم آیی نقطه ای، جریان آب زیرزمینی، دبی پتانسیل، دشت نیشابور
  • هاتف کشاورزی، علی اکبر حکمت زاده *، ناصر طالب بیدختی صفحات 59-71
    روش شبکه بولتزمن یک روش عددی قدرتمند برای شبیه سازی جریان سیال است. برای بیان روابط حاکم بر جریان آب زیرزمینی در محیط متخلخل دو رویکرد اصلی وجود دارد. رویکرد اول استفاده از معادله ناویر استوکس و رویکرد دوم استفاده از معادله انتشار برای جریان می باشد. در این پژوهش برای جریان آب زیرزمینی از رویکرد دوم استفاده شده است. همچنین معادله حاکم بر انتقال آلودگی در محیط متخلخل، معادله انتقال-پخش می باشد. حل هم زمان معادلات جریان و انتقال آلودگی به وسیله روش شبکه بولتزمن در این پژوهش برای اولین بار صورت پذیرفت. همچنین از روش تفاضل محدود صریح و کرنک نیکلسون برای مقایسه با روش شبکه بولتزمن استفاده شد. نتایج این پژوهش نشان داد که روش شبکه بولتزمن قادر به حل هم زمان معادله آب زیرزمینی و انتقال آلودگی با دقت بالایی است، به طوریکه دقت آن با روش کرنک نیکلسون برابر می باشد، اما سرعت اجرای آن بسیار بیشتر از روش کرنک نیکلسون است. در ضمن در مقایسه با روش تفاضل محدود صریح، روش شبکه بولتزمن در حل معادلات فوق دارای محدوده پایداری و سازگاری بزرگتری می باشد. در این رابطه عدد پکلت شبکه کوچکتر از 7 برای روش شبکه بولتزمن D1Q2 پیشنهاد می شود.
    کلیدواژگان: روش شبکه بولتزمن، روش کرنک نیکلسون، معادله انتشار، معادله انتقال، پخش، آب زیرزمینی
  • یادداشت تحقیقاتی
  • لیلا اقبال نیک، محمد واقفی*، محمدرضا گلبهار حقیقی صفحات 73-79
    الگوی غالب رودخانه ها در پلان بصورت پیچانرودی می باشد. با استقرار پایه های پل در رودخانه یک سلسله جریان های گردابی ایجاد می شود. این گردابه ها عامل اصلی آبشستگی به حساب می آیند که در دراز مدت باعث ایجاد چاله آبشستگی در محل پایه پل می شوند. آبشستگی موضعی عامل اصلی خرابی پل ها در سراسر جهان می باشد. از آنجا که رودخانه های پیچانرود متداول ترین نوع رودخانه ها در پلان می باشند، در این تحقیق به مطالعه آبشستگی حول گروه پایه سه تایی واگرا-عمودی و گروه پایه سه تایی همگرا-عمودی در موقعیت 90 درجه در امتداد جریان و در صفحه عمود بر جهت جریان پرداخته شده است. بدین منظور آزمایش هایی در کانال با قوس 180 درجه تند (نسبت شعاع مرکزی قوس به عرض کانال 2) در شرایط آستانه حرکت و با رسوبات بستر با قطر متوسط 5/1 میلی متر انجام گرفت. نتایج نشان می دهد که در انتهای آزمایش در هر دو گروه پایه سه تایی همگرا-عمودی و واگرا-عمودی در حالت استقرار در جهت جریان، آبشستگی حول پایه اول کج و پایه دوم عمودی از مقادیر یکسانی برخوردارند. همچنین تغییرات بستر در حالت استقرار عمود بر جهت جریان نسبت به حالت در امتداد جریان بیشتر شد. بیشینه عمق آبشستگی در گروه پایه های همگرا-عمودی از گروه پایه واگرا-عمودی با استقرار در صفحه عمود بر جهت جریان، حدود 20 درصد بیشتر می باشد.
    کلیدواژگان: آبشستگی، گروه پایه پل، قوس 180 درجه، پایه عمودی، پایه کج
|
  • A. Fouladi, M.R. Jafarzadeh* Pages 1-14
    Knick points are generated, naturally or artificially, across the river beds in the form of sequential steps. In the present work, the experimental and numerical migration of two successive Knick points in a sandy bed of a rectangular channel is studied for different discharges. At the start of flow, the two Knick points became unstable in a short period of time. Erosion caused the migration of the first Knick point backward upstream and deposition, down the second Knick point, moved it forward to the downstream channel. At the same time a side bar was formed down the first Knick point and extended upward. Downstream of this bar and before the second Knick point the canal was meandered. Between the two Knick points, the channel developed a steep slope bed. Increase in discharge augmented the rate of movement of the two Knick points. Consequently, migration not only changed the channel elevation but also destabilized its alignment in plan. The flow and sediment transport equations were integrated by HEC-RAS (V4.1.0) for different sediment transport functions. In comparison with the available experimental data, Larsen and Ackers-White equations proved a better estimation for the prediction of bed level variations.
    Keywords: Knick point, Erosion, Sedimentation, Sediment transport equations, HEC-RAS
  • Z. Dehghani, Mohammad Reza Hadian *, A.R. Zarrati Pages 15-32
    A 2D vertical numerical model for solving unsteady Navier-Stokes equations with capability of calculating dynamic pressures in free surface flows is used in the present study. In this model, the projection method is applied to solve the equations in non-orthogonal curvilinear coordinate system with collocated grid arrangement. The velocities (fluxes) on cell faces are calculated using a “linear interpolation” method and some “momentum interpolation” methods. These methods are evaluated using some test cases including flow in a trench, flow over a sill and gradually varied flow (M2 profile). The results show that for mild free surface slope, all the momentum interpolation methods implemented in the model have the same accuracy. Also, the linear interpolation of velocity results in an acceptable accuracy. In other words, the checker board pressure fluctuation does not occur in flow domain. For sharp free surface slope, the linear interpolation of velocity causes nonphysical pressure fluctuation and results in divergence. Therefore, the momentum interpolation methods are inevitable. Comparing the required computational time of the methods shows that momentum interpolation methods needs less time in comparison with velocity linear interpolation method. The tests show that evaluating the cell face velocities are more important in longitudinal direction than the vertical ones. Therefore, if the momentum interpolation method is used for east and west faces of cells and the linear interpolation of velocity is used for top and bottom faces, the model runs in less time without reducing the accuracy.
    Keywords: Free surface, Projection method, Curvilinear coordinate, Collocated grid, Cell face velocity, Momentum interpolation
  • Amin Mahmoudi *, H. Hakimzadeh, M.J. Ketabdari, Mohammad Vaghefi Pages 33-45
    In this research, the wave propagation and periodic wave breaking process over an impermeable submerged breakwater is studied experimentally and numerically. Laboratory experiments were conducted in the hydraulics laboratory, school of engineering, Griffith University Gold Coast Campus. For the current study, deployed a space-averaged Navier–Stokes approach and laboratory experiments to investigate the time-dependent wave breaking processes are. The developed model is based on the smoothed particle hydrodynamic (SPH) method which is a pure Lagrangian approach and can handle large deformations of the free surface with high accuracy. Then, a weakly compressible version of the smoothed particle hydrodynamics (WCSPH) method together with a large eddy simulation (LES) approach are used to simulate the wave propagation and periodic wave breaking process over an impermeable submerged breakwater. The results of numerical simulations were compared qualitatively with those of laboratory experiments. Overall, good agreement was found between them. Also, the results of present numerical model were compared with the numerical model of Rambabo and Mani (2005). The results show, that WCSPH computations produce better results than those of Rambabo and Mani (2005), with respect to the experimental data. The results of this study also show that WCSPH method provides a useful tool to investigate the wave propagation over submerged breakwaters.
    Keywords: Experimental model, Smoothed particle hydrodynamic, Submerged breakwaters, Wave propagation, Wave breaking
  • Arman Mohammadi, Mahnaz Ghaeini Hessaroeyeh * Pages 47-58
    In this paper, an effective approach using Analytic Element Method (AEM) is presented for large-scale groundwater flow modelling in two dimensional steady state condition. Hydrologic characteristics are exerted in the AEM by using Laplace equations and linear functions. In this algorithm, the potential discharge of each hydrologic characteristic is obtained and combined using the superposition principle and then added to the aquifer potential discharge. In order to compare AEM results, Point Collocation Method (PCM) has been used which is a free-mesh approach based on the finite element method. In PCM approach, some points are distributed on the computational domain and the shape functions are created in order to solve the governing equation. Proposed algorithm evaluation was done by Neyshabur plain data. The particle swarm optimization algorithm has been employed for model calibration. The Python object-oriented programming language was used in implementation of modelling. There is no need for interpolation in AEM. The AEM approach is not a complicated method and uses simple superposition principle. The comparison of results indicate that the results of AEM are more accurate than the results of PCM.
    Keywords: Analytic element method, Point collocation method, Groundwater flow, Potential discharge, Neyshabur plain
  • Hatef Keshavarzi, Ali Akbar Hekmatzadeh *, Naser Talebbeydokhti Pages 59-71
    Lattice Boltzmann method is a powerful numerical method for the simulation of fluid flow. There are two approaches for the description of groundwater flow in porous media. In the first approach, Navier-Stokes equations are used, while diffusion equation is applied to describe groundwater flow in the second approach. In this research, groundwater flow is modeled using the second approach. Furthermore, the governing equation of contaminant transport is called advection-dispersion equation. Here for the first time, the coupled solution of groundwater flow and contaminant transport using Lattice Boltzmann method is performed. The results indicated that Lattice Boltzmann method is capable of solving groundwater and contaminant transport equations simultaneously with high precision. Moreover, it was found that although the accuracy of Lattice Boltzmann and Crank-Nicolson method are the same, the speed of Lattice Boltzmann method is much higher than finite difference methods. In addition, Lattice Boltzmann method has higher range of stability and consistency in comparison with explicit finite difference method. Regarding this issue, grid Peclet number smaller than 7 is recommended for D1Q2 scheme of LBM.
    Keywords: Lattice Boltzmann method, Crank-Nicolson method, diffusion equation, advection-dispersion equation
  • Leila Eghbal Nik, M. Vaghefi *, Mohammad Reza Golbahar Haghighi Pages 73-79
    Most of the rivers have meandering shape in plan view. By embedding bridge piers in the river, a series of vortices establish in the flow. These vortices are the main cause of pier scour, which gradually led to formation of scour hole around the piers. Todays, the local scour is known as the main cause of bridge destruction around the world. Since the meandering rivers are the most common type of rivers in the plan, in this paper the scour processes are studied around a group of three divergent-vertical and convergent-vertical piers located at the 180 degree bend, in both cases of streamwise and transverse layouts. The experiments were conducted in a 180 degree sharp bend channel (with a ratio of central curvature radius to width of channel equal to 2) in initial sedimentary bed conditions with particle mean diameter of 1.5 mm. The results showed that in both cases of three convergent-vertical and three divergent-vertical groups-piers embedded in the flow direction, the scour around the first inclined pier and the second vertical pier reached to same value. Furthermore, the bed changes in transverse direction was more than the flow direction. In the transverse layout, it was observed that the maximum depth of scour hole near the convergent-vertical group piers was 20% more than the divergent-vertical group piers.
    Keywords: Scour, Pier group, 180 Degree bend, Vertical pier, Inclined pier