فهرست مطالب

مجله هیدرولیک
سال چهارم شماره 1 (بهار 1388)

  • تاریخ انتشار: 1388/04/04
  • تعداد عناوین: 9
|
  • محبوبه جمعه زاده، محمدرضا جعفرزاده * صفحه 1

    در این مقاله تاثیر ناپیوستگی های متمرکز بستر (بالا آمدگی یا پایین افتادگی) بر حل مساله ریمن در معادلات آبهای کم عمق مطالعه می شود. بدین منظور ابتدا حل تحلیلی مساله شکست سد یک بعدی بر بستر تخت بدون اصطکاک و سپس بر بستر با ناپیوستگی متمرکز (پله) مرور می شود. در این کار از معادلات جرم- مومنتم در محلهای پیوسته و از معادلات جرم- انرژی در ناپیوستگی ها استفاده می شود. آن گاه برای اولین بار مساله شکست سد بر روی سکو به صورت تحلیلی حل می شود. در قسمت بعدی معادلات جرم- مومنتم بر سکو به صورت عددی حل می شود. در جداسازی این معادلات بر بستر تخت پیوسته، روش حجم محدود Roe-TVD با محدود کننده شیب minmod به کار برده می شود. اما در محل ناپیوستگی معادلات جرم- انرژی جداسازی می شود. جوابهای حل عددی، به حل تحلیلی بسیار نزدیک است. در پایان مساله شکست سد در حفره نیز به صورت مشابهی به روش های تحلیلی و عددی بررسی و مقایسه می شود.

    کلیدواژگان: جملات چشمه، حجم محدود، شیب بستر متمرکز، روش جرم، انرژی، آبهای کم عمق
  • علی اکبر حکمت زاده، ناصر طالب بیدختی * صفحه 15

    هندسه فراکتالی امروز به عنوان هندسه واقعی بسیاری از پدیده های طبیعی شناخته می شود. شیء فراکتالی، جسمی است که شکل آن در مقیاسهای کوچکتر یا بزرگتر تکرار می شود. سری های زمانی بسیاری از پدیده های هواشناسی و هیدرولوژیکی، پدیده هایی هستند که با هندسه فراکتالی به عنوان ابزاری قدرتمند قابل تحلیل هستند. در این مقاله مفاهیم اولیه هندسه فراکتالی در مورد سری های زمانی شرح داده شده و چهار روش کلاسیک و اصلی در این زمینه معرفی شده است. سپس دبی متوسط روزانه رودخانه کر، یکی از رودخانه های بزرگ استان فارس، در طول 38 سال به روش فراکتالی تحلیل شده است. نتایج تحلیل نشان می دهد که دبی رودخانه کر دارای هندسه فراکتالی با بعد 29/1 است و بعد به دست آمده دلالت بر آن دارد که در گام های زمانی مختلف، نوعی همبستگی نسبی بین مقادیر دبی رودخانه وجود دارد و مقادیر متوسط دبی روزانه مستقل از یکدیگر نیستند. خصوصیت فراکتالی در مقیاسهای زمانی بزرگتر از 3 تا 4 سال دیده می شود و برای کمتر از آن، در مورد فراکتالی بودن این سری تردید وجود دارد.

    کلیدواژگان: هندسه فراکتالی، رودخانه کر، سری زمانی، تابع خودهمبستگی
  • رضا عزیزی، مهدی قمشی * صفحه 29

    امواج عمود بر جریان در نتیجه همپوشانی گردابه های ناشی از عبور سیالات از پیرامون موانع موجود در مسیر جریان ایجاد می شوند. امتداد انتشار امواج، عمود بر جهت جریان سیال است. این امواج از نوع امواج نوسانی ایستا است. در مجاری طبیعی وجود پایه های پل و سیلاب دشتهایی با پوشش درختی می تواند موجب تشکیل امواج عمود بر جریان شود. در این تحقیق تشکیل امواج عمود بر جریان در فلوم آزمایشگاهی مطالعه شده است. از استوانه های چوبی به عنوان موانع در مسیر جریان استفاده شده است. پس از برقراری جریان، در حالتی که موانع استوانه ای مستغرق هستند، هیچ نوسانی در سطح جریان مشاهده نمی شود. با کاهش تدریجی عمق جریان، چهار نوع موج سطحی در امتداد عرض فلوم آزمایشگاهی تشکیل می شود. در این تحقیق تشکیل امواج در آرایش های مختلف موانع مقایسه شده است. نتایج این بررسی نسبت دامنه امواج با عمق متوسط جریان را مشخص می سازد. حداکثر دامنه موج مشاهده شده برابر با 43 درصد عمق متوسط جریان است.

    کلیدواژگان: گردابه، موج عمود بر جریان، نوسان جریان، دامنه موج، مجاری طبیعی
  • رسول عظیمی، صلاح کوچک زاده*، اسماعیل بیات صفحه 41

    در شبکه های زهکش زیر زمینی غالبا در تمامی نقاط اتصال شبکه از چاهک های آدم رو1 استفاده می شود. در حالی که مشخصات هیدرولیکی این سازه که برای طراحی و تعیین ظرفیت تخلیه شبکه الزامی است، هنوز ارائه نشده است. در این پژوهش لوله های موجدار زهکشی در مجموعه آزمایشگاهی با مقیاس واقعی به کار رفت تا تغییرات ضریب افت موضعی در محل آدم رو تعیین شود. داده ها برای دامنه وسیعی از دبی لوله های اصلی و فرعی و همچنین شیب های طولی مختلف جمع آوری شد. داده ها نشان داد که با نزدیک شدن نسبت دبی ورودی به خروجی مجرای اصلی به مقدار واحد، ضریب افت کاهش یافته و به سمت مقدار نسبتا ثابتی میل می کند. از این رو برای دبی طراحی، ضریب افت کاربردی پیشنهاد شد و اثر آن بر رقوم محاسبه شده سطح آب در بالادست منهول و پروفیل سطح آب مطالعه شد. نتایج حاصل از مقایسه رقوم سطح آب مشاهده شده در بالادست و پایین دست سازه با مقادیر محاسبه شده به کمک ضریب پیشنهادی نشان داد که میزان خطا برای دبی های کم که اعماق جریان نیز کم است، حداکثر برابر 15± درصد و برای دبی های طراحی، خطا ناچیز است. از این رو کاربرد مقدار ضریب افت متوسط در طراحی ها و در تعیین ظرفیت تخلیه شبکه پیشنهاد می شود.

    کلیدواژگان: منهول، ضریب افت انرژی، لوله های موجدار، زهکش زیر زمینی
  • محمدرضا کاویان پور *، محمدرضا نجفی صفحه 53

    یکی از مهم ترین سازه های جانبی سدها، مجاری تخلیه کننده تحتانی است که برای کنترل حجم آب مخزن سد، تنظیم حقابه پایین دست و تخلیه رسوبهای پشت سد به کار می رود. کاویتاسیون یکی از مهم ترین مشکلات این سازه ها به ویژه پس از دریچه های تخلیه کننده تحتانی است. تزریق هوا به جریان توسط هواده های مستقر بعد از دریچه ها یکی از بهنرین روش های شناخته شده برای کنترل کاویتاسیون است. به دلیل پیچیدگی های شرایط جریان در ناحیه تبدیل جریان تحت فشار به سطح آزاد، تخمین میزان هوادهی، مگر با ساخت مدل مقیاس شده، معمولا با خطای زیادی همراه است. در دهه های اخیر نتایج کاربرد سیستم های هوشمند در مسائل مختلف که سیستم فازی یکی از مهم ترین آنها است، نشان دهنده قابلیت بالای آنها در مدل سازی سیستم های غیرخطی بوده است. کاربرد سیستم فازی و اصلاح آن به کمک الگوریتم ژنتیک و بهینه سازی براساس داده های آزمایشگاهی، یکی از روش های موثر در مسائل غیرخطی شناخته شده است. در مقاله حاضر از مدل طراحی شده بر مبنای الگوریتم ژنتیک- فازی در پیش بینی فرایند هوادهی در پایین دست دریچه های تخلیه کننده تحتاتی سدها بر اساس داده های آزمایشگاهی استفاده شده است. در ساخت مدل، حدود 243 داده شامل اطلاعات هوادهی جمع آوری شده از مدل های تخلیه کننده تحتانی سدهای ایران و مجرای تحتانی سد فولسوم استفاده شده است. نتایج به دست آمده حاکی از قابلیت بالای این سیستم در تخمین هوادهی در مجاری تخلیه کننده در مقایسه با روابط تجربی معمول است.

    کلیدواژگان: سیستم فازی، ژنتیک، فازی، عصبی، تخلیه کننده تحتانی، هوادهی، کاویتاسیون
  • صاحب منصوررضایی، بهزاد عطایی آشتیانی * صفحه 63

    هدف از این تحقیق، شبیه سازی عددی امواج ضربه ای ناشی از زمین لغزش ها در مخازن سدها با استفاده از روش هیدرودینامیک ذرات هموار تراکم پذیر1 (C-SPH) می باشد. روش SPHابتدا در مسائل اختر شناسی استفاده شد و سپس در زمینه های گوناگونی از جمله جریان های با سطح آزاد بررسی شد. این روش، کاملا لاگرانژی است و در آن به هیچ نوع شبکه بندی نیاز نیست و با توجه به قابلیت روش در شبیه سازی حرکت سیال با تغییرات زیاد در بسیاری از مسائل با موفقیت به کار رفته است. در زمینه بررسی امواج ضربه ای، مطالعات آزمایشگاهی جامعی در دانشکده عمران دانشگاه صنعتی شریف انجام شده و وضعیت های مختلف زمین لغزش- لغزش فوق سطحی و لغزش زیر سطحی- شکل های گوناگون گوه لغزنده، اجسام لغزنده تغییر شکل پذیر و مانند آن. بررسی شده است2. در این مقاله ابتدا مشخصات اجزای آزمایشها توصیف و سپس به طور خلاصه، شرحی از روش عددی هیدرودینامیک ذرات هموار تراکم پذیر و مدل عددی مورد استفاده (SPHysics) ارائه و در نهایت نتایج شبیه سازی دو بعدی و سه بعدی به دست آمده از مدل عددی با نتایج اندازه گیری شده در آزمایشگاه مقایسه خواهد شد.

    کلیدواژگان: روش های لاگرانژی، هیدرودینامیک ذرات هموار تراکم پذیر، امواج ضربه ای، لغزش دیواره
  • محمدحسین نیک سخن، رضا کراچیان * صفحه 75

    مدیریت کیفیت آب سامانه های رودخانه ای به طوری که بهره وری و عدالت تامین شود، در دهه های گذشته مورد توجه محققان و سیاستگذاران بخش آب قرار داشته است. در این مقاله سعی شده است مدیریت کیفیت آب سامانه های رودخانه ای در قالب تجارت مجوز تخلیه بار آلودگی به شکلی انجام شود که با استفاده از تئوری بازی ها و تخصیص دوباره هزینه ها، عدالت بین تخلیه کننده ها و سود آنها برقرار گردد. بدین ترتیب در مرحله اول، با استفاده از تئوری برطرف سازی اختلاف، نقطه توافق بین تصمیم گیرندگان از روی منحنی تعامل بین اهداف تعیین می شود تا تخصیص اولیه درصد و هزینه تصفیه تخلیه کننده ها با در نظر گرفتن برخی عدم قطعیت های مهم موجود در سامانه، تعیین شود. در مرحله بعد، با استفاده از تئوری بازی های همکارانه و با کاربرد بازی نوکلئولوس نرمال شده، هزینه تخلیه کننده ها برای دستیابی به عدالت بین آنها، دوباره تخصیص می یابد. بنابراین، در صورتی که یک گروه از تخلیه کنندگان برای دستیابی به سود بیشتر در ائتلاف شرکت کنند، سود حاصل از ائتلاف آنها به صورت منصفانه توزیع شده و بر اساس آن الگوی تجارت مجوز های تخلیه بار آلودگی تدوین می شود. کارایی مدل پیشنهادی با استفاده از معیارهای ارزیابی مدل های تجارت مجوزهای تخلیه بار آلودگی و با استفاده از اطلاعات رودخانه زرجوب در استان گیلان ارزیابی شده است.

    کلیدواژگان: تجارت مجوز تخلیه بار آلودگی، تئوری بازی ها، تخصیص دوباره هزینه، رودخانه زرجوب
  • محمد واقفی*، مسعود قدسیان، سیدعلی اکبر صالحی نیشابوری صفحه 91

    آبشکن سازه ای هیدرولیکی است که برای حفاظت از سواحل رودخانه به کار می رود. تحلیل جریان و آبشستگی پیرامون آبشکن های مستقر در قوس خارجی رودخانه ها به علت وجود جریانهای ثانویه و حلزونی، پیچیدگی زیادی دارد. در این مقاله به تاثیر موقعیت استقرار آبشکن T شکل در قوس 90 درجه بر میزان آبشستگی و تاثیر شعاع انحنای قوس بر تغییرات توپوگرافی بستر پرداخته شده است. برای این منظور از یک فلوم مستطیلی به عمق 70 سانتیمتر و عرض 60 سانتیمتر و با چند شعاع مرکزی متفاوت (R/B=2،3،4) استفاده شده است. کانال اصلی شامل مسیر مستقیم بالادست به طول 1/7 متر و مسیر مستقیم پایین دست به طول 2/5 متر است که یک قوس 90 درجه این دو مسیر مستقیم را به هم متصل کرده است. دیوار و کف فلوم شیشه ای بوده و توسط قابهای فلزی پایدار شده است. طول کانال از رسوب با قطر متوسط 28/1 میلی متر و به عمق 35/0 متر پوشیده شده است. آزمایشها تحت جریان با دبی ثابت 25 لیتر بر ثانیه انجام شده و نتایج بیانگر آن است که وقتی آبشکن در موقعیت 75 درجه قرار می گیرد، آبشستگی حداکثر است. همچنین هرچه شعاع انحنای قوس بیشتر شود، میزان آبشستگی افزایش می یابد، اما از گسترش چاله آبشستگی در عرض کانال کاسته می شود.

    کلیدواژگان: آبشکن T شکل، الگوی آبشستگی، قوس، شعاع انحنای قوس
  • ابراهیم علامتیان، محمدرضا جعفرزاده * صفحه 109

    در این مقاله رفتار امواج تیز مورب ایستا در کانال های باز به دو روش عددی حجم محدود و تفاضل محدود مطالعه می شود. در روش حجم محدود، الگوی ون- لیر با تابع محدود کننده پیشرفته شیب، در شبکه های بی سازمان مثلثی شکل به کار می رود. شیب بستر با استفاده از روش متکی به بالادست و جمله اصلاح شده فشار هیدرواستاتیک مدل سازی می شود. از رابطه مانینگ برای شبیه سازی اصطکاک بستر و از تئوری طول اختلاط برای مدل سازی تلاطم استفاده می شود. در روش تفاضل محدود الگوی مک کورمک دو گامی با الگوریتم لزجت مصنوعی جیمسون اعمال می شود. از هر دو روش برای مطالعه امواج موربی که از برخورد جریان فوق بحرانی با مانع عرضی در کانال تولید می شوند، استفاده شده است. مقایسه نتایج عددی و اندازه گیری های آزمایشگاهی نشان می دهد که هر دو مدل به خوبی توانایی شبیه سازی لبه تیز امواج ایستا را دارند؛ اما روش ون- لیر با نتایج آزمایشگاهی سازگاری بیشتری دارد.

    کلیدواژگان: معادلات آبهای کم عمق، حل کننده های ریمن، روش ون، لیر، روش مک کورمک، امواج تیز ایستا
|
  • M. Jomehzadeh, M. R. Jaefarzadeh * Page 1

    In this article the influence of the concentrated bed discontinuities (i.e. raising or falling steps) on the solution of the Reimann problem in the shallow water equations is studied. First, the analytical solution of one-dimensional dambreak problem, using the mass-momentum equations over a continuous flat and frictionless bed is reviewed. Next this solution is extended to a discontinuous bed (i. e. a step), using the mass momentum equations at the continuous places and the mass-energy equations at the discontinuities. Then, for the first time, the dambreak problem over a rectangular bump is solved, analytically. In the next section, the mass-momentum equations are numerically solved over the bump. For the discretisation of these equations over the flat continuous bed, the finite volume Roe-TVD scheme with a minmod slope limiter is applied. At the discontinuities, however, the mass-energy equations are discretised. The numerical results are found close to the analytical solution. Finally, the dam break problem in a cavity is similarly investigated both analytically and numerically.

  • A. A. Hekmatzadeh, N. Talebbeydokhti * Page 15

    Meteorological and hydrological time series are examples of natural phenomena which can be analyzed via fractal geometry as a powerful statistical method. Fractal object has a structure that is repeated in different time scales. In this paper primary concepts of fractal geometry regarding time series are described and four classic methods for fractal dimension calculation are mentioned. Then average daily discharge of Kor River, a large river in Iran, for duration of 38 years is investigated using the correlation dimension estimation method. A dimension of 1.29 is obtained for the time series of this river. The results show that in different time scales there are a relative correlation between values of river discharge variation and these values are not independent. The results also imply that for time series larger than 3 to 4 years, fractal features exist in the time series and for smaller time series it is difficult to detect fractal feature in time series.

  • R. Azizi, M.I. Ghomeshi * Page 29

    Transverse waves are produced due to the overlap of vortices resulted from the streamlines separation when fluids flow passes through a cluster of vertical circular cylinders. The direction of waves propagation is perpendicular to the fluid flow path. These waves are categorized in standing oscillatory waves type. In the present study, attention is focused on transverse waves formation in a rectangular laboratory flume. The flow path obstructions are wooden rods with height of m height and diameter of m. They are screwed on the plexiglass plate covered all bottom of laboratory flume in the staggered and in-line arrangements and with different intervals of rods. After establishment of the flow when the circular cylinders are submerged, no wave oscillations occur, when the water level is reduced slowly, types of surface waves are seen across the laboratory flume. The current study compares the formation of transverse waves in different arrangements of rods. The maximum wave amplitude observed during experiments was % of mean flow depth.

  • R. Azimi, S. Kouchakzadeh*, E. Bayat Page 41

    Manholes are commonly used in subsurface drainage networks while the hydraulic characteristics of this structure for design purposes and for determining the discharge capacity of the network have not investigated yet. In this research a prototype scale experimental setup was prepared using drainage corrugated pipes in order to determine the minor head loss coefficient of the manhole and to investigate its influence on the water surface profile. Data was gathered for a wide range of pipe longitudinal slopes and main pipe to lateral pipe discharge ratios. The data indicated that when the discharge ratio tends to unity the head loss coefficient decreases to a constant value. Accordingly، an average value was proposed for practical design purposes. The impact of applying such average value on the water surface profile directly upstream of the manhole was investigated and reported herein. The results indicated that applying such average value predicts the water surface elevation within a maximum error of ±15%. Higher errors belong to lower discharge values which are not of practical importance. Therefore، the application of proposed average head loss coefficient is recommended for design procedures.

  • M.R. Kavianpour *, M.R. Najafi Page 53

    Bottom outlet conduits are one of the main components of high dams to control the reservoir capacity, sediment discharge and downstream requirements. With high velocity flows and discharges within the bottom outlet conduits, the potential for cavitation damage, especially downstream of the outlet gates is also increased. Amongst various methods, aeration has been found as a cheap and easy way to reduce the cavitation tendency. Based on complicated phenomena of two phase flow downstream of outlet gates, the estimation of air demand without model studies mainly results in substantial errors. On the other hand, in recent years the application of artificial intelligence in the forms of artificial neural networks and fuzzy logic have been found as a powerful technique for simulation of nonlinear systems. A combination of fuzzy systems and genetic algorithms and optimization based on experimental data is an effective way for nonlinear problems. In this paper, a model based on genetic-fuzzy algorithm has been developed and used to predict air demand downstream of bottom outlet gates of high dams. The model make uses of 243 data consisting the data collected from various hydraulic models of outlet dams in Iran and the data of Folsom dam in USA. The model shows satisfactory results and proves to be a reliable technique to predict air demand downstream of bottom outlet gates, compared with the various relationships which are developed by regression analysis of experimental and field data.

  • S. Mansour-Rezaei, B. Ataie-Ashtiani * Page 63

    In this work, Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics was used for numerical simulation of impulsive waves generated by landslides. SPH is a mesh-less method, which was introduced for astrophysical applications, but rapidly extended and used in engineering fields, including free surface flows and wave propagation. Laboratory investigations have been performed on the landslide generated waves at Sharif University of Technology to study impulse wave characteristics. The effects of submarine and sub-aerial landslide on the wave characteristics were considered and studied. Also, a wide range of effective parameters including geometry and deformation of wedge on impulsive wave characteristics have been inspected. In this paper, first, general features of laboratory experiments are described. Then, a general model based on C-SPH, “SPHysics”, is used for two and three dimensional numerical simulation of impulsive wave. Comparison between experimental and computational results proves applicability of the C-SPH method for simulation of these kinds of problems.

  • M. H. Niksokhan, R. Kerachian * Page 75

    This paper presents a Trading Discharge Permisions (TDP) model for equitable treatment cost allocation among dischargers in rivers. The model consists of two principal steps. In the first step, a trade-off curve between objectives is developed using a recently developed multi-objective technique namely Nondominated Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II). The objective functions are average value of the treatment levels of dischargers and a fuzzy risk of violating the water quality standards. The best non-dominated solution on the trade-off curve, which shows an initial treatment cost allocation, is defined using the Young conflict resolution theory. In the second step, using the Normalized Nucleolus cooperative game, the maximum saving cost of cooperating dischargers in a coalition is allocated to them fairly. This saving cost allocation provides a fair optimal trading discharge permisions policy. To illustrate applicability of the proposed methodology, it is applied to the Zarjub river system in north of Iran. The efficiency of the methodology is also evaluated using some well-know criteria in the field of trading discharge permisions such as existence of hot spots and free riders.

  • M. Vaghefi, M. Ghodsian, S.A.A. Salehi Neyshabouri Page 91

    Spur dikes are used for preventing river banks erosion. The flow and scouring pattern around the spur dikes used in the outer bank are complicated especially when spur dikes are used in the bends. This is mainly due to the interaction between the flow pattern associated with the spur dike and the helical currents in the bend. In this paper result of experiments on scour around a T shaped spur dike and the effect of spur dike location on the amount of scouring and the effect of curvature of bend on the variation of bed topography are reported. Experiments were conducted in a re-circulating rectangular channel having 0.6 m width, 0.7 m height with different values of radius of bend to centerline (R/B=2,3,4). The main channel consisted of a 7.1 m long upstream and a 5.2 m long downstream straight reaches. A 90 degree channel bend was located between the two straight reaches. The bed and sides of channle were made of glass supported by metal frames. Natural uniform sediment with median size d50 =1.28 mm was used with a thickness of 0.35 m and covered the whole length of channel. Experiments were conducted for 25 l/s discharge. Results show that when spur dike installed at section 75 degree, the amount of scour is maximum. Also, by increasing the curvature of bend the amount of scour increases. But the lateral development of scour hole decreases.

  • E. Alamatian, M. R. Jaefarzadeh * Page 109

    In this article the behavior of steady oblique shocks in open channels is studied using both the finite volume (FVM) and the finite difference (FDM) methods. In the FVM, the Van Leer scheme with an advanced slope limiting function is implemented on unstructured triangular grids. The bed slope is modeled using an upwind method including a modified hydrostatic pressure term. The Manning equation is used for the bed friction and the mixing length is applied for turbulence modeling. In the FDM, the two step MacCormack scheme with the Jameson's artificial viscosity algorithm is applied. These schemes are used to simulate the oblique shocks produced by a lateral barrier in an open channel. comparison of the numerical results with laboratory measurements proves robustness of both the schemes in simulation of shock fronts. However the Van Leer scheme is more consistent with experimental findings.