در این پژوهش با استفاده از یک مدل فیزیکی پدیده گرداب در آبگیرهای افقی نیروگاه های برق آبی مطالعه شده است. موارد بررسی شده در این پایان نامه مشتمل بر دو قسمت است. در قسمت اول با بررسی نوع و قدرت گرداب ها در شرایط مختلف شیب بالا سدت آبگیر، عدد فرود، عمق استغراق و همچنین وجود و عدم وجود سازه آشغالگیر در مسیر جریان رابطه ای بین قدرت گرداب و پارامترهای مرتبط با آن بدست آمده است . در ادامه با توجه به داشتن بیش از 100 آزمایش که هر کدام نوع و قدرت گرداب اندازه گیری شده است، رابطه ای بین نوع گرداب و قدرت آن بدست آمده است. ارایه معادله ای برای محاسبه عمق استغراق بحرانی از دیگر نتایج این پژوهش می باشد. همچنین به علت تاثیر شیب های مختلف پیشانی آبگیر بر روی ناپایداری گرداب ها، تحقیقاتی در این زمینه نیز صورت گرفته است. در قسمت اول آزمایشات، برای اندازه گیری سرعت از دستگاه adv استفاده شده است. در قسمت دوم این پژوهش با استفاده از حسگر فشار transducer اقدام به برداشت فشارهای دینامیکی در دهانه تونل آب بر شده است. محاسبه تاثیر شیب های مختلف دیواره بر ضریب افت آبگیر و همچنین بررسی تاثیر صفحات ضد گرداب بر روی این ضریب از موارد بررسی شده در این قسمت می باشد.

در این رساله به مطالعه عددی تعیین شرایط بهینه آبگیری جانبی از قوس با بررسی همزمان اثر پارامترهای هندسی و هیدرولیکی آبراهه اصلی و آبگیر در هندسه¬های نزدیک به شرایط طبیعی پرداخته شد. پس از تعیین شرایط بهینه آبگیری از قوس، ابعاد و آرایش صفحات مستغرق در کانال مستقیم بهینه شده و سپس تأثیر کاربرد آن¬ها بر عملکرد آبگیری جانبی از قوس بررسی شد. مدل عددی مورد استفاده در این رساله، مدل سه بعدی ssiim نسخه¬های 1 و 2 است. با توجه به دقت قابل قبول مدل عددی در پیش¬بینی جریان و انتقال بار معلق در آبگیری از قوس و نیز پیش¬بینی توپوگرافی بستر حول صفحه مستغرق در مسیر مستقیم، در تعیین شرایط مناسب آبگیری از قوس، روش تزریق رسوب به همراه جریان روی بستر صلب آبراهه اصلی به کار رفت و در تعیین ابعاد و آرایش بهینه صفحات مستغرق مدلسازی روی بستر آبرفتی انجام شد. در تعیین شرایط مناسب آبگیری جانبی از قوس، بدون استفاده از سازه¬های کنترل رسوب، تأثیر هر یک از پارامترهای bi/bm (عرض آبگیر به عرض آبراهه اصلی)، ci/θcθ (موقعیت آبگیر نسبت به زاویه مرکزی قوس)، iα (زاویه آبگیری)، hs/hm (ارتفاع آستانه به عمق جریان)، qwr (نسبت دبی آبگیری)، θc (زاویه مرکزی قوس) و fr (عدد فرود) در سه سطح تغییر بررسی شد. 243 مطالعه با روش تاگوچی طراحی شد. در مدلسازی سعی شد از شرایط هندسی و هیدرولیکی رودخانه کرخه استفاده شود. پس از تحلیل نتایج با استفاده از روش gra، نسبتهای بهینه 0/28= hs/hm، ◦70= α، 0/55= θci/θc و 0/55=bi/bm که دارای بیشترین ضریب پادرسوبی (یک منهای رسوب نسبی وارد شده نسبت به جریان نسبی وارد شده به آبگیر) و بیشترین حجم رسوب ته¬نشین شده در آبگیر نسبت به رسوب وارد شده به آبگیر باشد، معرفی شد. برای بهینه¬سازی ابعاد یک صفحه مستغرق و تعیین آرایش گروه صفحات مستغرق، تغییرات توپوگرافی بستر حول یک صفحه مستغرق شبیه¬سازی شد. پارامترهای هندسی طول صفحه (l)، ارتفاع صفحه (h) و زاویه برخورد جریان با صفحه (αv) هریک در چهار سطح در نظر گرفته شدند. نتایج نشان داد در صورتی که کنترل آبشستگی موضعی پای صفحه مستغرق مد نظر قرار گیرد، نسبت¬های 0/25=h/d (d: عمق جریان)، ◦15=α و 1/25=l/h بهینه است. به منظور بررسی تأثیر صفحات مستغرق بر عملکرد آبگیری جانبی از قوس، دو طرح مختلف برای صفحات مستغرق استفاده شد. در طرح 1 دو ردیف صفحه مستغرق در بالادست آبگیر و در طرح 2 چهار ردیف صفحه مستغرق در بالادست آبگیر و مقابل دهانه آبگیر نصب شد. بررسی ضریب پادرسوبی آبگیر نشان داد در حالتی که 0/35=>bi/bm، با تغییر سطوح پارامترهای θci/θc، iα و hs/hm، حضور صفحات مستغرق طرح 1 در بالادست آبگیر به طور متوسط منجر به افزایش 59 درصدی ضریب پادرسوبی آبگیر و کاهش 15 درصدی مقدار رسوب وارد شده به آبگیر شده است. این در حالیست که با تغییر سطوح پارامترهای bi/bm، θci/θc، iα و hs/hm، حضور صفحات مستغرق طرح 2 به طور متوسط منجر به افزایش 148 درصدی ضریب پادرسوبی آبگیر و کاهش 46 درصدی مقدار رسوب وارد شده به آبگیر شده است.

openfoamازجمله نرم افزارهای موجود برای مدل سازی عددی جریان است که در این پژوهش از این نرم افزار برای مدل سازی عددی جریان سطح آزاد استفاده می شود. در این پژوهش توانمندی ها و قابلیت های نرم افزار openfoam در مدل سازی جریان در کانال های روباز موردبررسی قرار می گیرد که شامل نحوه ی اعمال شرایط مختلف مرزی در ورودی، خروجی، دیواره ها و مرز آزاد، ردیابی سطح آزاد سیال و شناسایی الگوی جریان در شرایط پیچیده در جریان آشفته می شود. جریان در محل اتصال کانال ها که با عنوان آبگیر یا انشعاب نیز شناخته می شود، با در اختیار داشتن همه ی ویژگی های ذکرشده، موضوع اصلی این تحقیق است. جریان در کانال های روباز دارای طبیعتی آشفته است. بنا بر این برای مدل سازی آشفتگی جریان باید از یک مدل آشفتگی مناسب استفاده کرد. همچنین جریان در محل اتصال کانال های روباز به طورمعمول از نوع جریان های زیربحرانی و با مقادیر پایین عدد فرود است؛ لذا در هر یک از مرزهای ورودی و خروجی جریان، به اعمال یک شرط مرزی نیاز است. در علم هیدرولیک کانال های روباز، شرط دبی ثابت برای مقطع ورودی و شرط عمق ثابت برای مقطع خروجی کانال بکار گرفته می شود. در آبگیرها، میزان دبی کانال فرعی بستگی به دبی ورودی و عمق های پایین دست دارد. بااین حال هیچ رابطه ی تحلیلی میان این پارامترها وجود ندارد. از طرفی دیگر در آزمایش های فیزیکی، عمق های پایین دست کانال اصلی و فرعی مشخص نشده است و تنها مقادیر دبی های ورودی و خروجی در اختیار است. درواقع شرایط مرزی در محاسبات عددی مشابه محاسبات آزمایشگاهی نیست؛ لذا به ناچار باید از روش آزمون وخطا استفاده کرد. با توجه به پیچیدگی مسئله، عدم قطعیت در اندازه گیری ها، تفاوت شرایط مرزی اعمال شده در محاسبات آزمایشگاهی و عددی و عدم وجود یک مدل آشفتگی جامع و فراگیر، نتایج عددی را می توان موردقبول در نظر گرفت. از دیگر فرضیاتی که در بیشتر مطالعات انجام شده در آبگیرها بکار گرفته می شود، این است که محققان با توجه به نظریه تیلور از تغییرات عرضی عمق جریان چشم پوشی کرده و برای سطح آزاد آب از شرط مرزی تقارن استفاده کرده و عمق آب را در کل میدان برابر مقداری ثابت در نظر می گیرند . درواقع برای مقطع ورودی، دو شرط مرزی در نظر گرفته شده و عملاً مسئله به یک مسئله تک فازی تبدیل می شود؛ اما در این مطالعه، جریان به صورت دوفازی مدل سازی شده و تغییرات سطح آزاد نیز مدنظر خواهد بود. هم چنین در شرایطی که جداره ها و کف کانال با عدد مانینگ در نظر گرفته می شوند، جهت اعمال زبری از یک رابطه لگاریتمی شده و در نرم افزار لحاظ می شود. نکته حائز اهمیت دیگر، ایجاد حالت کاملاً توسعه یافته تا پیش از رسیدن جریان به محل اتصال کانال های اصلی و فرعی است. همه ی محققان برای شبیه سازی عددی این حالت، اقدام به افزایش طول بالادست کانال اصلی می کنند که به افزایش هزینه ی محاسباتی منجر می شود. در این پژوهش با فرض توزیع سرعت کاملاً توسعه یافته به صورت یک رابطه ی توانی در مقطع، یک رابطه ی توزیع سه بعدی سرعت کاملاً توسعه یافته ارائه شده و در ورودی کانال اصلی اعمال می شود. بدین ترتیب تا حدودی از افزایش تعداد سلول های محاسباتی جلوگیری می شود. در این پژوهش همه ی مدل سازی ها در سیستم مختصاتی کارتزین با شبکه محاسباتی غیریکنواخت انجام می گیرد، به گونه ای که شبکه بندی در محل دیواره ها و کف کانال به منظور رعایت و در محل اتصال کانال به دلیل وجود جریان های گردابه ای، بسیار ریزتر از سایر قسمت ها در نظر گرفته شود. بدین منظور ابتدا جریان در مسئله ای با هندسه ی ساده تر موردمطالعه قرار می گیرد. ازآنجاکه جریان در آبگیر از نوع جریان زیربحرانی است، مسئله با هندسه ساده برای جریان زیربحرانی در یک کانال مستقیم و طولانی با مقطع مستطیلی شکل انتخاب می شود. بدین ترتیب ضمن صحت سنجی کاربرد نرم افزار در کانال های روباز، در مرحله ی بعد مدل سازی جریان در آبگیر از یک کانال مستقیم انجام شده و با داده های موجود مقایسه می شود. با توجه به مسائل مربوط به ورود و تجمع رسوبات در ابتدای آبگیر، بعد از بررسی جریان سطح آزاد در محل اتصال کانال، با ایده ی بالا بردن رقوم کف کانال فرعی، الگوی جریان در این ناحیه موردبررسی قرار می گیرد.