دانلود پروژه:مدل‌سازي عددي يک بعدي- دوبعدي شکست سد با قابليت شبيه‌سازي جريان‌هاي فوق‌‌غليظ

فهرست مطالب

1-  تعريف مساله، هدف و ضرورت اجراي طرح                   1

1-1-   مقدمه                                                                                                                         1

1-2- هدف از انجام تحقيق                                                                                         2

1-3- بررسي اهميت موضوع                                                                                           2

1-4- نوآوري‌ها                                                       4

1-5- مروري بر مطالب فصل‌هاي بعدي                                                                     4

2- مروري بر ادبيات فني                                              5

2-1-   مقدمه                                                                                                                         5

2-2- مروري بر برخي تحقيقات انجام شده در زمينه مدل‌هاي هيدروديناميکي              5

2-3- مروري بر برخي تحقيقات انجام شده در زمينه جريان فوق غليظ               12

2-3-1- تقسيم‌بندي جريان مخلوط آب و مواد جامد                                 12

2-3-2- مدل‌هاي رئولوژي                                                                                        15

2-3-3- سابقه شکست سدهاي باطله                                                                    16

2-3-4- سابقه مدلسازي شکست سدهاي باطله                                                17

2-3-5- سابقه مدل‌سازي جريان مخلوط آب و رسوب                                    18

2-4- نتيجه‌گيري                                                                                                             21

3- متدولوژي                                                         22

3-1- مقدمه                                                                                                                       22

3-2- معادلات آبهاي کم عمق                                                                                    22

3-3- روش حجم محدود                                                                                                   23

3-4- حل صريح و ضمني معادلات                                                                               25

3-5- پديده شکست سد                                                                                                   26

3-6- روش شکاف زماني                                                                                                 26

3-7- شبکه‌بندي جابجا شده                                                                                       27

3-8- روش گودانف                                                                                                                   27

3-9- موج شوک، موج پيوسته و تماس ناپيوستگي                           29

3-9-1- موج شوک                                                                                                          30

3-9-2- موج پيوسته                                                                                                  30

3-9-3- تماس ناپيوستگي                                                                                        31

3-10- مسئله ريمن                                                                                                         32

3-11- الگوريتم پيشنهادي                                                                                       36

3-12- روش حل معادلات يک بعدي آب‌هاي کم عمق                                             36

3-12-1- حل معادله جابجایی                                                                               37

3-12-2- حل قسمت اصطکاکي (عبارت منبع)                                                   41

3-12-3- حل عبارت گراديان فشار                                                                     42

3-12-4- محاسبه عمق آب                                                                                         42

3-12-5- شرايط مرزي                                                                                                44

3-12-6- شرط پايداري                                                                                              45

3-13- معادلات حاکم بر جريان دو بعدي                                                             46

3-13-1- روش حل معادلات دوبعدي                                                                       46

3-13-2- شرط پايداري                                                                                              49

3-14- مدل‌سازي يک بعدي- دوبعدي جريان                                                           50

3-14-1- ترکيب مدل‌هاي يک بعدي و دوبعدي                                                 50

3-15- مدل‌سازي يک بعدي – دوبعدي به روش ضمني                                          52

3-15-1- روش مدل‌سازي جريان يک بعدي- دوبعدي و معادلات حاکم    54

3-16- مشخصات برنامه عددی                                                                                     64

3-17- جمع‌بندي                                                       67

4- جريانات فوق غليظ                                                 68

4-1-   مقدمه                                                                                                                       68

4-2- تقسيم‌بندي جريان‌هاي رسوبي                                                                        68

4-3- خواص سيال                                                                                                             69

4-4- مدل‌هاي رئولوژي                                                                                                 72

4-5-   فرآيند‌هاي فيزيکي جريان‌هاي رسوبي فوق غليظ                               74

4-6- معادلات حاکم براي جريان فوق‌غليظ                                                         78

4-7- تعيين ضريب اصطکاک با توجه به مدل رئولوژي                       85

4-8-          جمع‌بندي                                                                                                              87

5- نتايج و ارزيابي مدل                                              89

5-1-   مقدمه                                                                                                                       89

5-2- آزمونهاي يک بعدي                                                                                            89

5-2-1- آزمون 1: معادله جابجایی خطي                                                        89

5-2-2- آزمون 2: معادله برگر                                                                          91

5-2-3- آزمون 3: شکست سد با بستر افقي و بدون اصطکاک و جريان زير بحراني                                                                                                     92

5-2-4- آزمون 4: شکست سد با بستر افقي و بدون اصطکاک و جريان فوق بحراني      92

5-2-5- آزمون 5: مقايسه بين گام زماني روش‌هاي نيمه ضمني و صريح    94

5-2-6- آزمون 7: شکست سد با بستر افقي و بدون اصطکاک و جهت جريان معکوس                                                                                                                100

5-2-7- آزمون 8: دو موج پيوسته نزديک بستر خشک                             100

5-3- ارزيابي مدل دو بعدي                                                                                  102

5-3-1- آزمون 9: شكست جزيي سد (بازشدن ناگهاني يك دريچه)    102

5-3-2- آزمون 10: شکست سد به صورت تدريجي                                          104

5-3-3- آزمون 11: شکست آني سد دوبعدي آزمايشگاهي [71]                108

5-3-4- آزمون 12: مقايسه شکست آني سد در مدل دو بعدي و مدل يک بعدي-دوبعدي 111

5-3-5-آزمون 13: مقايسه مدل يک بعدي- دوبعدي حاضر و ماژول Lateral Link در نرم‌افزار MIKE FLOOD                                             119

5-4- مدل‌سازي جريان فوق‌غليظ                                                                             129

5-4-1- آزمون 14: مدل‌سازي جريان فوق غليظ يک بعدي                      129

5-4-2- آزمون 15: مدل‌سازي جريان فوق غليظ دو بعدي (شکست سد باطله Gypsum)      133

5-4-3- آزمون 16: مدل‌سازي جريان فوق غليظ يک‌بعدي-دوبعدي           137

5-5- جمع بندی                                                                                                              139

6- جمع بندي و پيشنهادات                                             140

6-1- جمع‌بندي                                                                                                                140

6-2-   نتایج                                                                                                                     141

6-3- پيشنهادات براي انجام کارهاي تکميلي                                             143

منابع                                                                                                                                145

فهرست جداول

جدول ‏2‑1: تقسيم‌بندي جريان رسوبي از ديدگاه محققين مختلف……… 16

جدول ‏2‑2: سابقه شکست تعدادي از سدهاي باطله در جهان………………. 17

جدول ‏3‑1: مقادير تابع شار در مرحله پيش‌بيني………………………………… 39

جدول ‏5‑1: مقايسه بين گام زماني مدل صريح و مدل نيمه ضمني براي اعداد فرود مختلف………………………………………………………………………………………………………….. 95

جدول ‏5‑2: مقایسه خطای مدل حاضر، مدل صریح TVD-MacCormack و مدل ضمنی ADI           99

جدول ‏5‑3: مقایسه خطای مدل حاضر، مدل صریح TVD-MacCormack در آزمون شکست تدریجی…………………………………………………………………………………………………………………… 107

جدول ‏5‑4: مقایسه خطای مدل حاضر و مدل صریح WAF در آزمون شکست آنی دوبعدی سد…………………………………………………………………………………………………………………… 109

فهرست اشکال

شکل ‏3‑1: شبکه جابجا شده- a: يک بعدي، b: دو بعدي                            28

شکل ‏3‑2: استفاده از روش گودانف در محاسبه شارها- a: تقريب قطعه‌اي ثابت متغير، b: تعيين شار در مرزها، c: محاسبه متغيرها در زمان n+1 [61] 29

شکل ‏3‑3: حل گرافيکي مسئله مقدار اوليه براي قانون بقاء اسکالر  [63]          31

شکل ‏3‑4: تشکيل موج شوک [63]                                                                                 31

شکل ‏3‑5: تشکيل موج پيوسته [63]                                                                          32

شکل ‏3‑6: انتشار تماس ناپيوسته در معادله انتقال خطي [63]           32

شکل ‏3‑7: تعريف مسئله ريمن  [55]                                                                         33

شکل ‏3‑8: راه حل‌هاي ممکن حل مسئله ريمن براي معادله جابجایی- a: حرکت موج پيوسته به سمت راست، b: توسعه موج پيوسته در اطراف ناپيوستگي اوليه، c: حرکت موج ناپيوسته به سمت چپ، d: حرکت موج شوک به سمت راست  [63]          34

شکل ‏3‑9: ترکيب سري (طولي) دو مدل يک بعدي و دوبعدي [1]                51

شکل ‏3‑10: ترکيب موازي (عرضي) دو مدل يک بعدي و دوبعدي- a: پلان، b: مقطع حجم کنترل 1D/2D [5]                                                                                                       52

شکل ‏3‑11: سلول‌هاي ميدان محاسباتي يک بعدي- دوبعدي  [5]                  53

شکل ‏3‑12:  مقایسه سطح مشترک سلول یک بعدی- دوبعدی- a: سطح سلول 1D کوچکتر از 2D، b: سطح سلول 1D بزرگتراز 2D                                                              53

شکل ‏3‑13: حالات چهارگانه ممکن براي حجم کنترل يک بعدي- دوبعدي  57

شکل ‏3‑14: ارتباط سلول يک بعدي- دوبعدي با سلول‌هاي مجاور           60

شکل ‏3‑15: ماتريس ضرايب اصلي و نحوه قرارگيري ماتريس ضرايب فرعي در آن   62

شکل ‏3‑16:فلوچارت مدل هیدرودینامیکی                                                                    66

شکل ‏4‑1: نمودار تنش- ‌نرخ کرنش برخي سيالات  [29]                                   73

شکل ‏4‑2: نمودار مدل رئولوژي مرتبه دوم بي‌بعد [37]                             77

شکل ‏4‑3::جريان سيال بينگهام روي سطح شيب‌دار [43]                               81

شکل ‏4‑4: تغييرات ε در مقابل a با مدل‌هاي رئولوژي مختلف              85

شکل ‏5‑1: معادله انتقال خطي- پروفيل غلظت با روش‌های حل مختلف-a: مدل حاضر، b: روش لکس-وندروف، c: روش فروم، d: روش مرتبه اول گودانفی   90

شکل ‏5‑2: معادله برگر- پروفيل سرعت در زمان‌هاي t=0.5,0.75,1,1.5s     91

شکل ‏5‑4: شکست سد با بستر افقي و بدون اصطکاک و جريان زير بحراني- a: پروفيل عمق، b: پروفيل سرعت                                                                                        92

شکل ‏5‑5: شکست سد با بستر افقي و بدون اصطکاک و جريان فوق‌بحراني- a: پروفيل عمق، b: پروفيل سرعت                                                                                        93

شکل ‏5‑6: اثر تراکم میدان محاسباتی بر دقت مدل یک بعدی- a: گام مکانی دومتر، b: گام مکانی پنج متر، c: گام مکانی 20 متر، d: گام مکانی 50 متر        94

شکل ‏5‑7: رابطه گام زماني و دقت مدل- a وb: پروفيل عمق، c و d: پروفيل سرعت   95

شکل ‏5‑8: مقایسه نتایج شکست سد پس از گذشت 30 ثانیه با استفاده از مدل صریح TVD-MacCormack [14] و مدل حاضر- a: مدل حاضر h₂=2، b: مدل حاضر h₂=0.1،  c: مدل حاضر h₂=0،  d: مدل صریح h₂=2، e: مدل صریح h₂=0.1، f: مدل صریح h₂=0         97

شکل ‏5‑9: نتایج شکست سد به روش ضمنی ADI پس از گذشت 30 ثانیه – a: h₂=2 بدون لزجت مصنوعی، b: h₂=2 با لزجت مصنوعی ،c: h₂=0.1 بدون لزجت مصنوعی،  d: h₂=0.1 با لزجت مصنوعی ، e: h₂=0 بدون لزجت مصنوعی ، f: h₂=0 با لزجت مصنوعی [14]    98

شکل ‏5‑10: شکست سد با بستر افقي و بدون اصطکاک و جهت جريان معکوس- a: پروفيل عمق، b: پروفيل سرعت                                                                                      100

شکل ‏5‑11: دو موج پيوسته نزديک بستر خشک- پروفيل عمق آب در زمان t=2.5s     101

شکل ‏5‑12: دو موج پيوسته نزديک بستر خشک روش صریح SEA[28] – پروفيل عمق آب در زمان t=2.5s                                                                                                              101

شکل ‏5‑13: مشخصات میدان آزمون شكست جزئي سد                                         102

شکل ‏5‑14: مدل‌سازي شکست جزيي سد با استفاده از مدل پيشنهادي- a: پروفيل سطح آب، b: منحني‌هاي هم عمق                                                                                        103

شکل ‏5‑15: مدل‌سازي شکست جزيي سد مرجع [70] – a: پروفيل سطح آب، b: منحني‌هاي هم عمق                                                                                                                              103

شکل ‏5‑16: اثر تراکم میدان محاسباتی بر دقت مدل دو بعدی- a: گام مکانی دومتر، b: گام مکانی پنج متر، c: گام مکانی ده متر، d: مدل عددی مرجع [70]    104

شکل ‏5‑17: مشخصات فلوم آزمايش شکست سد در دانشگاه delft [14]     105

شکل ‏5‑18: شکست تدريجي سد، پروفيل سطح آب در نقاط اندازه‌گيري – a: نقطه 1، b: نقطه 2، c: نقطه 3، d: نقطه 4                                                                 106

شکل ‏5‑19: شکست تدريجي سد، پروفيل سطح آب در نقاط اندازه‌گيري – a: نقطه 1، b: نقطه 2، c: نقطه 3، d: نقطه 4 با استفاده از روش TVD-MacCormack از مرجع [14]                                                                                                                                     106

شکل ‏5‑20: شکست تدريجي سد، سطح آب- a: در t=4s، b: در t=18s       107

شکل ‏5‑21: مشخصات مجموعه آزمايشگاهي شکست سد [71]  Fraccarol &Toro        109

شکل ‏5‑22: شکست آني سد دوبعدي، عمق آب در نقاط اندازه‌گيري- مقايسه داده‌هاي آزمايشگاهي،WAF  و مدل حاضر                                                                    110

شکل ‏5‑23: شکست آني سد دوبعدي، سرعت آب در نقاط اندازه‌گيري- a: V در -3D، b: U در O، c: U در -3D، d: U در -3A                                                              111

شکل ‏5‑24:  پلان و مقطع مدل دوبعدي در آزمون 10                                   112

شکل ‏5‑25: پلان و مقطع مدل يک بعدي- دو بعدي در آزمون 12            114

شکل ‏5‑26: پروفيل سطح آب قبل از خروج جريان از کانال اصلي      114

شکل ‏5‑27: تغييرات سطح آب قبل از خروج جريان از کانال اصلي- a: مدل دوبعدي، b: مدل يک بعدي- دوبعدي                                                                                      115

شکل ‏5‑28: پروفيل سطح آب پس از خروج جريان از کانال اصلي         116

شکل ‏5‑29: تغييرات سطح آب پس از خروج جريان از کانال اصلي- a: مدل دوبعدي، b: مدل يک بعدي- دوبعدي                                                                                      117

شکل ‏5‑30: تغييرات سرعت آب پس از خروج جريان از کانال اصلي- a: مدل دوبعدي، b: مدل يک بعدي- دوبعدي                                                                                      118

شکل ‏5‑31: منحني‌ هم‌تراز عمق آب پس از خروج جريان از کانال اصلي- a: مدل دوبعدي، b: مدل يک بعدي- دوبعدي                                                                              119

شکل ‏5‑32: پلان و مقطع مدل يک بعدي- دو بعدي در آزمون 13            120

شکل ‏5‑33:  پلان مدل يک بعدي- دو بعدي و ارتفاع بستر در آزمون 13(نوار پررنگ مسير حرکت جريان است)                                                                                   121

شکل ‏5‑34: هيدروگراف ورودي در آزمون 11                                                    122

شکل ‏5‑35: مقايسه پروفيل سطح آب در کانال اصلي قبل از خروج جريان از ميدان يک بعدي- a: t=250s ، b: t=500s، c: t=1000s، d: t=2000s                      122

شکل ‏5‑36: تغييرات سطح آب در محل اتصال ميدان يک بعدي به ميدان دوبعدي   123

شکل ‏5‑37: تغييرات سطح آب در محل اتصال ميدان يک بعدي به ميدان دوبعدي پس از خروج جريان از محيط يک‌بعدي – a: مدل حاضر، b: MIKEFLOOD    124

شکل ‏5‑38: مقايسه تغييرات عمق آب در سلول دوبعدي واقع در محل اتصال ميدان يک بعدي به ميدان دوبعدي پس از خروج جريان از محيط يک‌بعدي   125

شکل ‏5‑39: تغييرات دبي نسبت به زمان قبل و بعد از محل اتصال محيط يک بعدي به دوبعدي- a: مدل حاضر،  b: MIKEFLOOD                                                   126

شکل ‏5‑40: تغييرات سطح آب نسبت به زمان در نقاط مختلف- a: مدل حاضر، b: MIKE FLOOD                                                                    Error! Bookmark not defined.

شکل ‏5‑41: مقايسه پروفيل سطح آب در کانال اصلي بعد از خروج جريان از ميدان يک بعدي- a: t=250s، b: t=500s، c: t=1000s، d: t=2000s                        128

شکل ‏5‑42: حل مسئله شکست سد برای سیال پلاستیک [72]                           130

شکل ‏5‑43: پروفيل عمق سيال- a: مدل [50] DFEM 1D ، b: مدل حاضر 132

شکل ‏5‑44: مشخصات ميدان محاسباتي آزمون 15                                             134

شکل ‏5‑45: تغييرات سطح سيال در مدل[51]  Chen&Peng زمان‌هاي 30، 60، 90 و 120           134

شکل ‏5‑46: تغييرات سطح سيال در مدل حاضر و رئولوژي بينگهام ساده‌سازي شده زمان‌هاي 30، 60، 90 و 120                                                                              135

شکل ‏5‑47: تغييرات سطح سيال در مدل حاضر و رئولوژي بينگهام کامل زمان‌هاي 30، 60، 90 و 120                                                                                                           135

شکل ‏5‑48: پروفيل سطح جريان در زمان‌هاي مختلف در مدل حاضر، مدلPastor et.al.[43]  و مدل Chen&Peng[51]                                                                                                136

شکل ‏5‑49: تغييرات عمق سيال فوق‌غليظ در نقاط مختلف پس از شکست سد در ميدان يک بعدي- دوبعدي                                                                                                       137

شکل ‏5‑50: منحني‌ هم‌تراز عمق آب در ميدان دوبعدي پس از خروج جريان از کانال اصلي در زمان‌هاي مختلف                                                                                 139