فهرست مطالب

هیدرولیک - سال دوازدهم شماره 2 (تابستان 1396)

مجله هیدرولیک
سال دوازدهم شماره 2 (تابستان 1396)

  • تاریخ انتشار: 1396/07/13
  • تعداد عناوین: 6
|
  • مقاله کامل
  • جعفر چابک پور *، عمر مینایی، رسول دانشفراز صفحات 1-12
    در بسیاری از جریان های عبوری از بدنه سد های سنگریزه ای و یا زه کش های طویل سنگی شامل جریان درون گذر دارای سطح آزاد، مدل سازی فرایند های جابجایی و انتشار آلایند ه ها از مهمترین مباحث می باشد. در این تحقیق با استفاده از محلول کلرید سدیم و حسگر های هدایت الکتریکی که درون محیط سنگ دانه ای کار گذاشته شده بود، اقدام به برداشت منحنی های رخنه آزمایشگاهی شد و با استفاده از حل تحلیلی معادله جابجایی-انتشار غیرماندگار و روش بهینه سازی برازش منحنی با روش کمترین مربعات اقدام به استخراج سری های زمانی آلودگی در موقعیت های کارگذاری حسگر های هدایت سنج الکتریکی گردید. مجموعه دستگاه برداشت داده ها، شامل حسگر های هدایت الکتریکی، دستگاه جمع آوری داده و نرم افزار تهیه شده برای آن بود. در این آزمایش ها از دو قطر سنگدانه با اندازه های متوسط 1/1 و 8/1 سانتی متر، دو دبی و پنج جرم تزریقی آلودگی استفاده گردید و در نهایت مشاهده شد که بر خلاف توزیع نرمال که حالت خاص و متقارنی از حل معادله مزبور است، منحنی های رخنه آزمایشگاهی برداشت شده به صورت نامتقارن در بازو های بالا و پائین رونده بوده و بازوی پائین رونده بسیار طولانی تری را دارد که این به دلیل ذخیره موقت آلودگی درون محیط سنگدانه ای و انتقال تدریجی آن به بیرون از محیط می باشد. در حالت کلی می توان گفت که حل تحلیلی معادله جابجایی و انتشار قادر به پیش بینی ساختار کلی منحنی های رخنه خروجی می باشد، ولی در بساری از موارد مشاهده گردید که نقطه اوج منحنی تئوریکی پائین تر از منحنی آزمایشگاهی است. مقادیر متوسط پارامتر های آماری RMSE،CRM ، ME و MAE برای منحنی های برداشت شده نیز به ترتیب برابر با 35/1، 000608/0، 640 (ppm) و 9/52 (ppm) می باشد که تطابق مناسب داده های آزمایشگاهی برداشت شده با حل تحلیلی را نشان می دهد.
    کلیدواژگان: محیط سنگریزه ای، ضریب انتشار طولی، آلودگی غیر واکنشی، معادله جابجایی-انتشار
  • اکبر صفرزاده *، طاهر باهر طالاری صفحات 13-34
    در این تحقیق، هیدرودینامیک سه بعدی سد انحرافی میل مغان در یک محدوده 500 متری و با لحاظ نمودن تمامی اجزای هیدرولیکی موجود از جمله دریچه های قطاعی و حوضچه آرامش با روش شبیه سازی گردابه های بزرگ (LES) مدل سازی عددی شده و به ازای سناریوهای مختلف بهره برداری، علل وقوع تخریب حوضچه های پایین دست مشخص گردیده است. برای صحت سنجی نتایج، منحنی عملکرد هیدرولیکی یکی از دریچه های قطاعی با داده های ارائه شده توسط مشاور طراح سد و همچنین روابط موجود در مراجع مقایسه شده است. همچنین عکس های برداشت شده از محدوده مطالعاتی با الگوی جریان های حاصل از مدل عددی نیز مقایسه شده است. نتایج نشان داد که به ازای بهره برداری متقارن از سد، در تمامی حالات، پرش هیدرولیکی پایین دست دریچه ها در داخل حوضچه آرامش رخ می دهد؛ اما در بازشدگی های زیاد دریچه های قطاعی، به دلیل ارتفاع زیاد آستانه انتهایی حوضچه آرامش، ضمن وقوع پدیده انسداد، جریان خروجی از حوضچه، مجددا فوق بحرانی شده و بر روی حوضچه حفاظتی، پرش هیدرولیکی دوم شکل می گیرد. بواسطه واگرا بودن دیواره های پایین دست و نیز تشکیل جریان فوق بحرانی در خروج از حوضچه حفاظتی، پرش هیدرولیکی دیگری به صورت پرش دایره ای شکل می گیرد. نوسانات فشار ناشی از پرش های فوق، عامل اصلی اعمال بار دینامیکی به بلوک های بتنی منعطف، گسست اتصال بین بلوک ها و تخریب حوضچه حفاظتی بوده است. در حالت بهره برداری نامتقارن، امکان خروج پرش هیدرولیکی از حوضچه آرامش و تشدید شرایط نامناسب هیدرولیکی وجود دارد.
    کلیدواژگان: سد میل مغان، حوضچه آرامش، پرش هیدرولیکی، مدل عددی، دریچه قطاعی
  • معصومه رستم آبادی* صفحات 35-44
    اگر متغیرهای زیادی که سطوح متعددی دارند در بررسی یک پدیده هیدرولیکی موثر باشند، یافتن ترکیب بهینه از طریق بررسی فاکتوریل کامل ترکیبات بسیار وقت گیر و پرهزینه می باشد. در بسیاری از علوم دیگر به جای روش فاکتوریل کامل، از روش تاگوچی برای طراحی مطالعات استفاده می شود. روش تاگوچی از ترکیبات فاکتوریلی جزئی بهره می برد و ضمن کاهش تعداد آزمایش ها، مقایسه موزون تمام متغیرها را تضمین می کند. این روش در مطالعات هیدرولیکی کمتر مورد توجه بوده است. لذا در پژوهش حاضر به مقایسه نتایج مطالعات طراحی شده با روش های تاگوچی و فاکتوریل کامل در تاثیر پارامترهای ارتفاع و موقعیت بلوک های آرام کننده جریان در شرایط هیدرولیکی مختلف به منظور کنترل آبشستگی پایین دست حوضچه آرامش پرداخته شده است. از نتایج آزمایشگاهی Fahmy Abdelhaleem (2013) استفاده شده است. هدف از این کار بررسی این مسئله است که آیا با استفاده از روش تاگوچی و کم نمودن تعداد آزمایش ها می توان نتایج نزدیک به نتایج مربوط به انجام تمام آزمایش های طراحی شده با روش فاکتوریل کامل را حاصل نمود. اگر پاسخ مثبت باشد، چه مقدار خطا در نتایج وارد خواهد شد، از طرفی مقدار بهینه بدست آمده برای هر متغیر تا چه حد قابل اتکاست. همچنین مقدار صرفه جویی مالی و زمانی ناشی از کاربرد روش تاگوچی در یک پدیده هیدرولیکی چقدر است. بنابراین ضمن تحلیل نتایج آزمایشگاهی، سطوح بهینه متغیرهایی که از طراحی مطالعات با روش تاگوچی بدست آمده با نتایج بدست آمده از روش فاکتوریل کامل از جنبه های مختلف مقایسه شده است. نتایج نشان داد روش تاگوچی به جای 80 آزمایش، با استفاده از 25 آزمایش، با دقت خوب و نزدیک به نتایج طرح فاکتوریل کامل، ترکیب بهینه پارامتر های موثر بر پدیده را پیش بینی نموده و منجر به صرفه جویی بیش از 70 درصد در زمان کل انجام آزمایش ها شده است. از طرفی مقدار عمق آبشستگی نسبی پایین دست با ترکیب بهینه پیش بینی شده با روش های تاگوچی و فاکتوریل کامل به ترتیب 119/0 و 122/0 بوده است.
    کلیدواژگان: بلوک های آرام کننده، حوضچه آرامش، تاگوچی، فاکتوریل کامل
  • مسعود آرامی فدافن، مسعود رضا حسامی کرمانی* صفحات 45-57
    روش نیمه ضمنی ذرات متحرک، یک روش کاملا لاگرانژی است که در آن به هیچ نوع شبکه بندی نیاز نبوده و به طور گسترده در مسایل مختلف مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد. مشخصه های جریان نظیر سرعت و فشار به هر ذره اختصاص یافته و ذرات نقش شبکه ی محاسباتی را ایفا می کنند. شکل اصلی این روش دچار نوسانات فشار بوده و تلاش های بسیاری برای کاهش این نوسانات انجام شده است. همچنین این روش به ندرت در شبیه سازی مسایل مهندسی با هندسه های شامل خطوط منحنی به کار رفته است. در این مطالعه روندی برای توسعه روش تراکم ناپذیر نیمه ضمنی ذرات متحرک پیشنهاد شده است که علاوه بر بهبود فشار، امکان شبیه سازی مسایل با هندسه های پیچیده شامل خطوط منحنی را فراهم می سازد. به منظور صحت سنجی روش پشنهادی، مسایل مختلف هیدرولیکی مانند مسئله فشار هیدرواستاتیک و شکست سد به عنوان آزمون های معمول و جریان روی سرریز اوجی با مرزهای باز به عنوان آزمون جدید روش پیشنهادی شبیه سازی شده اند و نتایج به دست آمده، توزیع فشار هموار و نزدیک به مقادیر تئوری یا آزمایشگاهی در دسترس را نشان می دهند.
    کلیدواژگان: روش MPS، توزیع فشار هموار، شرط مرزی دیوار تک لایه
  • یادداشت تحقیقاتی
  • سید آرمان هاشمی منفرد*، فهیمه حسین زاده، بهاره پیرزاده صفحات 59-66
    منابع آب سطحی نقش عمده ای در تامین نیاز آبی بخش های مختلف کشاورزی، شرب و صنعت دارا می باشند. با توجه به تغییرات زمانی آب دهی رودخانه ها و عدم هم خوانی آن با نیاز های موجود، اعتمادپذیری تامین آب کاهش می یابد و باعث بروز خسارت در بخش های مختلف می شود. از همین رو برای استفاده مناسب از آب ذخیره شده در سد ها باید به مساله بهره برداری بهینه از مخازن نگاه ویژه ای داشت. بهره برداری از مخازن سدها از جمله مسائل مهم در مهندسی آب است که تاکنون از طریق انواع روش های بهینه سازی به آن پرداخته شده است. در دو دهه اخیر الگوریتم های فراکاوشی، موفقیت قابل ملاحظه ای از خود نشان داده اند. در این تحقیق مقادیر بهینه برداشت آب از مخزن سد پیشین با استفاده از الگوریتم رقابت استعماری (ICA) که یکی از الگوریتم های پیوسته فراکاوشی مبتنی بر تکامل سیاسی- اجتماعی است، تعیین شد. مدل سازی بهره برداری از مخزن سد پیشین برای یک دوره 12 ماهه که میانگین دوره 41 ساله (82-1341)، می باشد، صورت گرفت. تابع هدف به صورت مجموع مربعات اختلاف رهاسازی از تقاضای مخزن در هر دوره تعریف شد. عملکرد الگوریتم رقابت استعماری با الگوریتم ازدحام ذرات و روش سیاست بهره برداری استاندارد مورد مقایسه قرار گرفت. متوسط مقدار تابع هدف در دو الگوریتم ازدحام ذرات و رقابت استعماری به ترتیب برابر 9804/3 و 9808/3 بدست آمد که نشان دهنده عملکرد یکسان این دو الگوریتم است. همچنین نتایج نشان داد که شدت کمبود های حاصل از دو الگوریتم بهینه ساز نسبت به روش سیاست بهره برداری استاندارد، 1/31 درصد کاهش داشته است.
    کلیدواژگان: الگوریتم رقابت استعماری، روش های فراکاوشی، سد پیشین، بهینه سازی مخزن
  • محمد ذونعمت کرمانی*، حبیبه شیبانی فرد صفحات 69-78
    در این مقاله از روش عددی لاگرانژی و بدون شبکه هیدرودینامیک ذرات هموار شده (SPH) برای شبیه سازی موج تنها بر روی محیط متخلخل استفاده شده است. معادلات حاکم بر جریان امواج با استفاده از این روش گسسته سازی شده و با الگوریتم دو گام جزئی حل می شوند. به منظور مدل سازی حرکت موج تنها روی محیط متخلخل با روش عددیSPH ، با افزودن معادلات جریان در محیط متخلخل و اعمال شرایط مرزی بین فصل مشترک محیط متخلخل و غیر متخلخل (با در نظر گرفتن مرز به ارتفاع برابر با فاصله اولیه بین ذرات و اعمال معادلات پیوستگی مربوطه)، کد رایانه ای مساله توسط نویسندگان تهیه شد. به منظور صحت سنجی مدل عددی، نتایج حاصل با جواب های تحلیلی مدل سازی موج تنها و با استفاده از درصد میانگین خطای نسبی مورد ارزیابی و تایید قرار گرفت. همچنین نتایج حاصل از شبیه سازی موج تنها بر روی محیط متخلخل نشان دهنده دقت قابل قبول مدل عددی تهیه شده می باشد، به طوری که درصد میانگین خطای نسبی برای نتایج مدل سازی عددی نسبت به نتایج تئوری در محاسبه ارتفاع موج 54/3 درصد برآورد شده است.
    کلیدواژگان: جریان سطح آزاد تراکم ناپذیر، هیدرودینامیک ذرات هموار شده، موج تنها، محیط متخلخل
|
  • Jafar Chabokpour *, Omar Minaei, Rasoul Daneshfaraz Pages 1-12
    In many flowthrough patterns from body of rockfill dams or long rock drains with free water surface, modeling of advection and dispersion of pollutants is one of most important issues. In this research with application of sodium chloride as tracer and EC sensors installed inside the rockfill media, experimental breakthrough curves were extracted. Then with analytical solution of unsteady advection- dispersion equation and none linear optimization least square technique the analytical breakthrough curves at the positions of sensors were also determined. The data acquisition instrument consisted of EC sensors, data logger and application software. Two types of rocks with diameters of 1.1 and 1.8 centimeters, two completely flowthrough discharges of 0.26 and 0.37 liters per second and 5 injection mass of sodium chloride 5, 10, 15, 25 and 50 grams were the variables of laboratory experiments. Finally it was observed that against normal distribution of mass which is special and symmetric case of equation, the observed BC curves were asymmetric in raising and falling limbs. They had longer tail in falling limb because of transient storage of tracer inside the rock media and gradually transport towards the downstream. It was concluded that the classical AD equation is suitable for predicting the general trend of BC curves. In many cases it was observed that the peak point in the analytical solution is lower than the experimental one. Average magnitudes of RMSE, CRM, MAE and ME the statistical parameters for simulated concentration data were 1.35, 0.000608, 52.9ppm and 648.8 ppm respectively which showed a good agreement between experimental and analytical data series.
    Keywords: Rockfill media, Longitudinal dispersion coefficient, None reactive solute, Advection- Dispersion Equation
  • Akbar Safarzadeh*, Taher Baher Pages 13-34
    In this research 3D hydrodynamics of Mill-Mugan diversion dam at a domain with a length of 500 meters was simulated numerically using large eddy simulation (LES) method. All of the components of the dam such as radial gates and stilling basin were considered and the causes of destruction occurrence at the downstream basins were investigated under various operating conditions. Simulated stage-discharge curve of a single radial gate was compared with data reported by dam consultant and also with relationships available in the literature, which confirms the validation of the numerical model. Furthermore, flow patterns of the numerical model were compared with images taken from the study area. Study domain were discretized using 25 million cells. Numerical simulation was performed using parallel processing and to provide the steady state condition, simulation was continued for up to 1000 seconds. Results showed that in all scenarios of the symmetric operating condition, hydraulic jump downstream of the radial gates formed inside the main stilling basin. However, the high end sill caused hydraulic obstruction and as the subcritical flow passed over the sill, critical flow formed at its top followed by a supercritical flow thereafter. Consequently, another hydraulic jump occurred when flow reached the subcritical flow in the protection trench, located downstream of the main stilling basin. Due to the diverging geometry of the side walls, a radial hydraulic jump occurred further downstream. Hydraulic jumps exert strong dynamic loads to the flexible concrete blocks inside the protection trench and it causes rupture of the chains connecting the concrete blocks. Under asymmetric operating conditions of the radial gates, hydraulic jump is swept out of the main stilling basin and it exacerbates unfavorable hydraulic conditions downstream of the dam.
    Keywords: Hydraulic jump, Mill-Mugan dam, Numerical model, Radial gate, Stilling basin
  • M. Rostamabadi * Pages 35-44
    If too many variables with multiple levels for investigation of hydraulic phenomenon are effective, finding the optimum combination of variables in full experimental study is very time-consuming and costly. In many other sciences instead of full factorial method, Taguchi method is used. Taguchi method uses fractional factorial combination and meanwhile reduces number of experiments, tunable comparison of all the variables will be ensured. The purpose of this research is to find out whether using Taguchi method and reducing the number of tests could yield results closer to the results of experiments designed with full factorial method. If the answer is yes, what will be the amount of errors in the results? On the other hand, how reliable is the optimum value for each variable. Moreover, how much time and money could be saved from application of the Taguchi method in the study of a hydraulic phenomenon. For this purpose, experimental studies were made to evaluate the effect of height and position of baffle block under different flow conditions in order to minimize the scour downstream of the stilling basin. In addition to the analysis of the results, the results of Taguchi and full factorial methods are compared from different aspects. The results showed that Taguchi method predicts the optimum combination of variables with high accuracy and saves up to 74% of the total time spent.
    Keywords: Baffle blocks, Stilling basin, Taguchi, Full factorial
  • Masoud Arami-Fadafan, Masoud Reza Hessami Kermani * Pages 45-57
    Moving Particle Semi-implicit (MPS) method is one of the fully Lagrangian particle methods which is meshless and widely used in various engineering problems. Flow characteristics such as velocities and pressures assigned to each particle and particles have the rule of meshes. MPS method in its original form suffers from pressure oscillations and fluctuations. Various efforts on MPS method were made in order to suppress these spurious oscillations. This method is rarely used in engineering problems with curved lines in their geometry. In this study, a modified method is proposed which improves computational pressure fields and has the ability of modeling problems with complicated geometries including curved lines. In order to validate the proposed method, various hydraulic problems such as hydrostatic and dam-break problems as common tests and flow over an ogee spillway with open boundaries as new test case are simulated. The results obtained showed good agreement between the theoretical smoothed pressure fields with those obtained from the experiments.
    Keywords: MPS method, Smooth pressure field, One row boundary condition
  • Seyed Arman Hashemi Monfared *, Fahimeh Hosseinzadeh, Bahareh Pirzadeh Pages 59-66
    Surface waters play a significant role in supplying water for different demands such as agriculture, domestic and industrial. Due to the variation of river discharges and the non-compatibility of this resource with the water demands, water supply reliability reduces and some damages are inflicted. Therefore, for appropriate use of water in the reservoir, the reservoir operation should be considered. Reservoir operation is performed using different optimization methods. Heuristic algorithms showed a suitable performance during the last two decades. In this study optimized water releases are determined in the Pishin reservoir using Imperialist Competitive Algorithm (ICA) which is based on the social-political evolution. Modeling is done for a 12-month period that is the mean of a 41-years period of hydrological parameters. Objective function is defined as the square of summation between water releases and water demand in each sub-period. Results are compared with the Particle Swarm Optimization (PSO) and Standard Operation Policy (SOP) methods. The mean of the objective function with PSO and ICA is obtained as 3.9804 and 3.9808 respectively, which shows a close estimation of the two methods. The results also show that the content of unmet demand by these two algorithms is 31.1 percent less than SOP method.
    Keywords: Imperialist Competitive Algorithm, Heuristic methods, Pishin reservoir, Reservoir optimization
  • Mohammad Zonematkermani * Pages 69-78
    In this study, Lagrangian numerical method and free-mesh smoothed particle hydrodynamics were used to simulate solitary wave in the porous media. Equations governing the wave flows were also solved using SPH discrete method with two-step fractional algorithm. A computer code was developed in order to simulate solitary wave on porous media (soil) with smoothed particle hydrodynamics method. For this purpose, flow equations in porous media and boundary conditions between the interaction of the two porous and non-porous media were also implemented. In order to validate the numerical model, numerical results were compared with analytical solution by simulating a solitary wave using mean percentage of relative error criterion. Moreover, results from simulation of solitary wave on a porous media showed acceptable accuracy of the numerical model with mean percentage of relative error of 3.54% for numerical modeling results versus the theoretical results.
    Keywords: Incompressible free surface flows, Smoothed particle hydrodynamics, Solitary wave, Porous media