شبیه سازی الگوی جریان آشفته و تغییرات مورفولوژیکی رودخانه کارون با استفاده از یک مدل عددی دو بعدی

شبیه سازی الگوی جریان آشفته و تغییرات مورفولوژیکی رودخانه کارون  با استفاده از یک مدل عددی دو بعدی

چکیده

نقش برجسته الگوی جریان و پدیده انتقال رسوب در تغییرات ریخت شناسی رودخانه ها، اهمیت مطالعات در این راستا را مشخص م ینماید. در مطالعه حاضر، با استفاده از مدل تجاری CCHE2D به شبیهسازی الگوی جریان و تغییرات مورفولوژیک در یک بازه از رودخانه کارون (بازه گتوند) ب هعنوان مطالعه موردی پرداخته شده است.

میدان هندسی بازه مطالعاتی با استفاده از روش های جبری و محاسباتی شبک هبندی شده و با بررسی عدم وابستگی میدان حل به ابعاد شبکه، با بهکارگیری شبکههای متفاوت، شبکه بهینه انتخاب شده است. برای شناخت الگوی هیدرودینامیکی جریان، معادلات رینولدز متوسطگیری شده در عمق حل شده و برای مدل سازی اثرات انتقال آشفتگی و بستن سیستم معادلات حاکم، مدل آشفتگیk −ε استاندارد بهکار رفته است. در نتیجه حل این معادلات روند تغییرات مقادیر و بردارهای سرعت و توزیع تنش برشی در بستر و کناره های رودخانه به ازای دبی سیلاب با دوره برگشتهای مختلف پیش بینی شدهاند.

واسنجی مدل عددی با هدف تخمین صحیح پارامتر مقاومت جریان (ضریب زبری مانینگ) و از طریق مقایسه پروفیل سطح آب پیشبینی شده توسط مدل با تراز سطح آب اندازهگیری شده در شرایطی که دبی جریان معادل ۵۲۴ مترمکعب بر ثانیه میباشد، انجام شده است. پس از شبیهسازی الگوی میدان جریان و اطمینان از روند همگرایی حل، تغییرات سطح آب در مدل عددی CCHE2D پیش بینی شده است. برای برآورد تغییرات مورفولوژی این بازه از رودخانه و ارزیابی توانایی مدل عددی CCHE2D در شبیهسازی تغییرات مورفولوژی رودخانه های طبیعی، این تغییرات برای یک دوره هشت ساله توسط مدل پیش بینی و سپس با مقاطع عرضی برداشت شده از رودخانه مقایسه شده است. در ادامه، فرایندهای فرسایش و رسوبگذاری بر اساس الگوی جریان بدست آمده، مورد مطالعه قرار گرفته و بر این اساس در مورد وضعیت پایداری بازههای رودخانه بحث شده است.

در شبیه سازی فرایند تغییرات مورفولوژیک رودخانه کارون از معادلات غیرتعادلی انتقال رسوب و با به کارگیری توزیع غیریکنواخت دا ن هبندی ذرات رسوب استفاده شده است. همچنین، با استفاده از معادلات سنجه رسوب ایستگاه هیدرومتری بالادست بازه مطالعاتی، شرایط مرزی تعیین شده است. در انتها روند تغییرات بستر و نواحی فرسایشی و رسوب گذار بازه مطالعاتی از رودخانه کارون و توزیع جدید مصالح بستر با کلاس ابعادی متفاوت، در طول مسیر مورد مطالعه قرار گرفته است. بررسی ها و تحلیلهای انجام گرفته بر اساس شبیهسازی دو بعدی الگوی هیدرودینامیک و انتقال رسوب رودخانه کارون نشان از اطمینان مناسب به نتایج حاصل از شبیه سازی دارد.

فهرست مطالب

چکیده …………………………………………………………………………………………………………………. ۱
مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………..

فصل اول: کلیات…………………………………………………………………………………………………………… ۴
۱-۱- هدف ……………………………………………………………………………………………………………….. ۴
۱-۲- پیشینه تحقیق……………………………………………………………………………………………………… ۵
۱-۳- شیوه انجام تحقیق …………………………………………………………………………………………………. ۶

۲- فصل دوم : مروری بر مطالعات انجام شده توسط سایر محققّاّن ……………………………………………………………. ۸

۲-۱- هدف ……………………………………………………………………………………………………………….. ۸
۲-۲- مطالعات بوئیچ- استفاده از مدل LES در شبیهسازی الگوی جریان ثانویه …………………………………………. ۸
۲-۳- مطالعات وو- مقایسه کارایی مدل های آشفتگی ……………………………………………………………………. ۸
۲-۴- مطالعات عیسی و الویرا- مدل سازی سه بعدی جریان در حالت آشفته …………………………………………….. ۹
۲-۵- مطالعات جیان و مککوروکودیل- شبیه سازی بازه مئاندری رودخانه ……………………………………………… ۹
۲-۶- مطالعات روزوفسکی، رودی و لشچزینر- الگوی جریان در قوس رودخانه ………………………………………… ۱۱
۲-۷- مطالعات صفرزاده و صالحی نیشابوری- الگوی جریان در قوس رودخانه …………………………………………. ۱۵
۲-۸- مطالعات شکیبایی نیا و همکاران- الگوی جریان در محل تلاقی دو رودخانه …………………………………….. ۱۶
۲-۹- نتیجهگیری نهایی، ضرورت انجام تحقیق حاضر ………………………………………………………………….. ۱۷

۳- فصل سوم: معرفی نر مافزار، معادلات بنیادی حاکم و روش های حل آنها …………………………………………………. ۲۰

۳-۱- معرفی نر مافزار CCHE2D ……………………………………………………………………………………… 20
۳-۲- معادلات حاکم ……………………………………………………………………………………………………. ۲۰
۳-۲-۱ – معادلات هیدرودینامیکی حاکم بر میدان جریان ……………………………………………………………………………. ۲۰
۳-۲-۲ – مدل های آشفتگی …………………………………………………………………………………………………………… ۲۱
۳-۲-۲ -۱- مدلهای مبتنی بر لزجت گردابهای ………………………………………………………………………………….. ۲۱
۳-۲-۲ -۲- مدل دو معادلهایk −ε …………………………………………………………………………………………… ۲۲
۳-۳- معادلات حاکم بر محاسبات انتقال رسوب ……………………………………………………………………….. ۲۳
۳-۳-۱ – معادلات انتقال رسوب متوسطگیری شده در عمق …………………………………………………………………………. ۲۳
۳-۳-۲ – روش های شبیه سازی انتقال بار رسوب ……………………………………………………………………………………… ۲۴
۳-۳-۲ -۱- روش اول : مدل به فرم بار بستر ……………………………………………………………………………………… ۲۴
۳-۳-۲ -۲- روش دوم : مدل به فرم بار معلق …………………………………………………………………………………….. ۲۵
۳-۳-۲ -۳- روش سوم: مدل شبیه ساز(جداگانه) بار معلق و بار بستر …………………………………………………………….. ۲۵
۳-۴- روش های حل معادلات حاکم بر میدان جریان و انتقال رسوب ………………………………………………….. ۲۶
۳-۴-۱ – روش حل معادلات جریان (روش مبتنی بر المان محدود) ………………………………………………………………….. ۲۶
۳-۴-۲ – روش حل پدیده های جابجایی و پخش ……………………………………………………………………………………… ۲۸
۳-۴-۳ – روش حل معادلات انتقال رسوب ……………………………………………………………………………………………. ۳۰
۳-۵- شرایط مرزی ……………………………………………………………………………………………………… ۳۲
و
۳-۶- الگوی حل یک مساله CFD ……………………………………………………………………………………… 33

۴- فصل چهارم : شبیه سازی دو بعدی الگوی حاکم بر میدان جریان در رودخانه کارون …………………………………….. ۳۵

۴-۱- هدف ……………………………………………………………………………………………………………… ۳۵
۴-۲- مطالعه موردی ……………………………………………………………………………………………………. ۳۵
۴-۲-۱ – معرفی بازه مطالعاتی ………………………………………………………………………………………………………… ۳۵
۴-۲-۲ – داد ههای میدانی …………………………………………………………………………………………………………….. ۳۵
۴-۳- شبیه سازی الگوی هیدرودینامیکی جریان های سیلابی در رودخانه کارون ………………………………………. ۳۷
۴-۳-۱ – شبکه بندی میدان حل ………………………………………………………………………………………………………. ۳۷
۴-۳-۲ – شرایط جریان در مرز های میدان ……………………………………………………………………………………………. ۳۹
۴-۳-۳ – واسنجی مدل عددی CCHE2D……………………………………………………………………………………………. 39
۴-۳-۴ – صحت سنجی نتایج حاصل از شبیه سازی الگوی جریان …………………………………………………………………….. ۴۰
۴-۴- مطالعه الگوی هیدرودینامیکی جریان های سیلابی در رودخانه کارون …………………………………………… ۴۲
۴-۴-۱ – مطالعه روند تغییرات سرعت جریان در طول رودخانه ………………………………………………………………………. ۴۲
۴-۴-۲ – شکل گیری جریان های چرخشی ……………………………………………………………………………………………. ۴۶
۴-۴-۳ – مطالعه الگوی جریان در اطراف جزیره رسوبی ………………………………………………………………………………. ۵۳
۴-۴-۴ – مطالعه توزیع تنش برشی در بستر و کناره های رودخانه ……………………………………………………………………. ۶۰
۴-۴-۵ – مطالعه تغییرات دبی در واحد عرض رودخانه ……………………………………………………………………………….. ۶۰
۴-۵- توانایی مدل عددی CCHE2D در پیش بینی الگوی جریان حاکم بر میدان های طبیع ی………………………… ۶۱

۵- فصل پنجم: شبیه سازی عددی دو بعدی تغییرات مورفولوژیک رودخانه کارون ………………………………………….. ۶۶

۵-۱- هدف ……………………………………………………………………………………………………………… ۶۶
۵-۲- روند مدل سازی …………………………………………………………………………………………………… ۶۶
۵-۳- تعیین شرایط مرزی و پارامتر های مدل سازی…………………………………………………………………….. ۶۷
۵-۴- شبیه سازی تغییرات مورفولوژیک رودخانه کارون(دوره زمانی هشت ساله )………………………………………. ۶۹
۵-۵- پیش بینی تغییرات مورفولوژیک رودخانه کارون ب هازای سیلاب با دوره برگشت ۵ ساله …………………………. ۷۷
۵-۵-۱ – مطالعه تغییرات بستر و روند فرسایش و رسوبگذاری رودخانه …………………………………………………………….. ۷۷
۵-۵-۲ – بررسی روند تغییرات دانهبندی بستر در رودخانه …………………………………………………………………………… ۸۲
۵-۵-۳ – توزیع سرعت جریان در رودخانه کارون بعد از وقوع سیلاب ………………………………………………………………… ۹۵
۵-۶- عدم قطعیت………………………………………………………………………………………………………. ۹۵

۶- فصل ششم: نتایج مطالعات ………………………………………………………………………………………………. ۹۸

۷- فصل هفتم: ارائه پیشنهادات …………………………………………………………………………………………… ۱۰۰

۸- مراجع فارسی ………………………………………………………………………………………………………….. ۱۰۲
۹- مراجع لاتین …………………………………………………………………………………………………………… ۱۰۳