گزارش سمینار بررسی و تحلیل نرم افزارهای جریان متغیر تدریجی

مهندسی عمران گرایش سازه های هیدرولیکی

سمینار کارشناسی ارشد 

چکیده

به دلیل کاربرد فراوان و سهولت دسترسی به نرم افزارهایی که به مدلسازی جریان متغیر تدریجی می پردازند، شناخت معادلات و مبانی حاکم و آگاهی از فرضیات اعمال شده در هر یک از این نرم افزارها بهمراه ارزیابی قابلیت های مدل سازی در شرایط متفاوت ، میزان محدودیت کاربرد و نیز دقت نتایج حاصل از هر یک از نرم افزارها ضروری است .

در این سمینار ابتدا مبانی محاسباتی ، معادلات حاکم و روش حل عددی این معادلات در هر یک از نرم افزارهای HEC-RAS  ,  MIKE11 و CECAD-REMبه طور اجمالی مورد بررسی قرار می گیرد.  در ادامه با انجام مدلسازهای مختلفی به مقایسه و آنالیز حساسیت نرم افزارها پرداخته می شود.

فصل اول

کلیات

١-١- مقدمه

اهمیت آب و منابع آن تا حدی است که محققان چالشهای آینده فراروی انسان را ناشی از بحران آب می دانند.  پدیده سیلاب خسارات بسیاری به راهها و مناطق رودخانه ها وارد می نماید، پیش بینی و مهار سیلاب ، بهمراه بررسی نحوه رفتار رودخانه های سیلابی در محل سازه های مانند پل و آبرو، یکی از دغدغه های اصلی مهندسان هیدرولیک ، هیدرولوژی و شاخه های مرتبط با این علوم است .  انجام مدلسازی در شرایط خاص ، با توجه به فرضیات ساده کننده یکی از راههای دستیابی به اهداف مطرح شده است .  این مدلسازی شامل حرکت موج سیلابی ، تاثیرات برگشت آب در رودخانه ها و مخازن ، نوع پروفیل های بوجود آمده در اثر برخورد جریان با سازه های هیدرولیکی و امثال آن می باشد. نتایج این مدلسازی را می توان در کنترل سیلاب ، ساماندهی روخانه ، سدسازی و سایر پروژه های زیست محیطی بکار گرفت .

عرضه مدلهای ریاضی فراوان که با ظهور و گسترش رایانه هایی که محاسبات حجیم و پیچیده را ر زمان کوتاه و با دقت قابل قبول ارائه می دهند.  با توجه به مشکلات ناشی از تهیه مدل فیزیکی پیشرفت شگرفی در این زمینه می باشد. هر چند که این مدلها در برخی موارد دارای دقت مدلهای فیزیکی نیستند اما بدلیل مزایای اقتصادی و صرفه جویی در زمان کاربردهای وسیعی یافته اند و باعث توسعه و پیشرفت شایانی در بررسی و پیش بینی رفتار رودخانه ها در مواقع سیلابی گردیده اند.

سمینارحاضر به بررسی  و تحلیل حساسیت چند نمونه از نرم افزارهای مدلسازی جریان متغیرتدریجی ،شامل CECAD-REM,MIKE11 وHEC-RAS  که برخی از آنها در کارهای مهندسی استفاده فراوان دارند، می پردازند.

١-٢- اهمیت مطالعات

گسترش چشمگیری مدلهای ریاضی در پروژه های مهندسی رودخانه ، با وجود تمام مزایای شناخته شده ، منشا مشکلات چندی نیز هست . این مشکلات از آنجا ناشی می شود که استفاده از مدلهای ریاضی بدون درک ماهیت روابط و معادلات حاکم بر پدیده و نیز بدون شناخت توانایی های یک مدل کامپیوتری می تواند اشتباهات بسیاری را باعث گردد.

بررسی و تحلیل نرم افزارهای جریان متغیر تدریجی                                                        

به دلیل پیچیدگی های روابط و معادلات حاکم بر جریان ، مدلهای ریاضی برای حل معادلات ناگزیر از اعمال برخی ساده سازیها هستند. در ضمن ، حل عددی این معادلات منجر به تولید برخی خطاهای ناشی از مواردی چون خطای قطع دنباله یا خطای گرد کردن می شود. میزان و اهمیت این خطاها بستگی به اهمیت مساله و میزان دقت مورد نیاز کاربر دارد. علاوه بر موارد فوق ، اشراف به اینکه آیا نرم افزار مورد استفاده ، توانای مدلسازی پدیده مورد نظر را دارد و یا دقت نتایج حاصل از مدلسازی قابل قبول می باشد و مواردی از این قبیل ، ضروریست .

١-٣- روندیابی جریان

روندیابی جریان ، به بررسی چگونگی تغییرات سطح آب یا شناخت وضعیت آب یا دبی در مسیر رودخانه بدون اندازه گیری این مقادیر، اطلاق می شود.  روندیابی جریان با استفاده از روشهای مختلف هیدرولیکی و هیدرولوژیکی انجام می گیرد.  در روشهای روندیابی هیدرولیکی ، خصوصیات جریان بصورت تابعی از زمان در یک نقطه خاص در طول بازه یا شاخه محاسبه می شود، اما در روندیابی هیدرولیکی ، جریان بصورت تابعی از زمان در یک سری از نقاط در طول شاخه ، بصورت همزمان محاسبه می شود.  ضمن اینکه روندیابی هیدرولوژیکی قادر به تحلیل پدیده برگشت آب نیست . در روشهای هیدرولیکی روندیابی ، که از دقت بیشتری نسبت به روشهای هیدرولوژیکی برخوردارند، از حل همزمان معادلات دیفرانسیل جزئی حاکم بر جریان ، استفاده شده و برای سهولت و سادگی کار، فرضیاتی نیز در نظر گرفته می شود.  روندیابی جریان متغیر تدریجی از جمله روشهای روندیابی هیدرولیکی است .

جریان متغیر تدریجی جریان یکنواخت دائمی است که از مواجهه جریانهای یکنواخت با عواملی چون سرریزها، دریچه ها، پلها و ... بوجود می آید. بررسی و مقایسه فرضیات اعمال شده بر معادلات اساسی جریان متغیر تدریجی و روشهای مختلف حل این معادلات ، در برخی از نرم افزارهای مدلسازی جریان متغیر تدریجی که استفاده از آنها در کشور ما بسیار معمول می باشد، از جهاتی ضروری می نماید. این بررسی می تواند مواردی از قبیل اطلاعات هندسی و هیدرولیکی مورد نیاز، نحوه ورود اطلاعات ، نحوه ارائه خروجی ها، قابلیت مدلسازی شرایط متفاوت مانند دشتهای سیلابی ، مدلسازی سازه های هیدرولیکی از قبیل پل ، آبرو و سرریز،

بررسی و تحلیل نرم افزارهای جریان متغیر تدریجی                                                            14

سهولت کار با نرم افزار، انواع شرایط مرزی و شرایط اولیه قابل تعریف و تحلیل حساسیت هر کدام از این نرم افزارها را در بر گیرد.

١-٤- سوابق مطالعاتی

در این بخش ، ضمن بررسی مطالعاتی که در زمینه مدلسازی جریان متغیر تدریجی در آبراهه های طبیعی و مصنوعی انجام گرفت است به معرفی اجمالی نرم افزارهای موجود در این زمینه می پردازیم .

موتای و کریشنامورتی (١٩٨٠)  با استفاده از اطلاعات مقاطع ٣٦ رودخانه در ایالت مریلند، جورجیا، پنسیلوانیا وارگون که توسط ایستگاههای اندازه گیری سازمان نقشه برداری ایالات متحده آمریکا، گرد آوری شده است ، چهار روش بر آورد ضریب زبری معادل ، شامل روش هورتون ، روش پاولوفسکی ، روش لوتر و روش کریشنا مورتی و کریستنسن را مورد بررسی قرار داده و به این نتیجه رسیدند که ، روش لوتر دارای کمترین میزان خطا در بین روش های مورد بررسی می باشد.

رایت و کارستن ١٩٧٠، ین و اورتون ١٩٧٣، مریت و سایرین روشهای مختلف محاسبه ضریب زبری معادل را از حیث در نظر گرفتن طول محیط تر شده در قسمت اشتراک آبراهه اصلی و دشت سیلابی ، مورد بررسی قرار داده اند. نتیجه این بررسی ها نشان می دهد که روش تقسیم مقطع با استفاده از خطوط عمودی با در نظر گرفتن طول محیط مشترک برای محاسبه دبی در آبراهه اصلی و صرفنظر کردن از آن برای تحلیل جریان در دشت سیلابی و همچنین تقسیم مقطع با استفاده از خطوط مورب که در محاسبه محیط تر شده لحاظ نمی شوند، حاوی بهترین نتایج می باشد. دیویدین ١٩٨٤ در خصوص مدلسازی رودخانه های طبیعی توسط نرم افزارها توصیه نموده است . سطح مقطعی که برای محاسبه پروفیل سطح آب انتخاب می کنیم باید به خوبی معرف خصوصیات هندسی رودخانه باشد و در نقاطی از طول رودخانه که شکستگی شیب ، یا تغییر شکل ناگهانی در مقطع یا ضریب  زبری وجود دارد باید تعداد مقاطع بیشتری تعریف شود، ضمن اینکه در خم رودخانه ها فاصله مقاطع را باید کمتر در نظر بگیریم .

دیویدین همچنین پیشنهاد کرده است که اگر نسبت عرض دشت سیلابی به عمق ، بیشتر از ٥ یا نسبت عمق آبراهه اصلی به عمق جریان در دشت سیلابی ، بیشتر از  ٢ باشد، مقطع به زیر بخشهایی تقسیم شود.

بررسی و تحلیل نرم افزارهای جریان متغیر تدریجی                                                            15

مرکز مهندسی ارتش آمریکا، طی مطالعه ای بر رودخانه های این کشور رابطه ای رگرسیونی برای تخمین طول باز شدگی و طول انقباض برای انتخاب مقطع بالا دست و پایین دست پلها پیشنهاد کرده است . در این رابطه طول موثر بازشدگی و طول موثر انقباض ، بصورت تابعی از اعداد فرود در مقاطع بالا دست و پایین دست پل و تابعی از دبی جریان ، می باشد.

آقای cunge  (١٩٨٠)  مسائل و مشکلات مدلسازی یک بعدی آبراهه های طبیعی را از منظر هیدرولیک نظری و محاسباتی به بحث می گذارد.

در ادامه برخی نرم افزارهای رایج در مدل سازی جریان متغیر تدریجی بطور مختصر معرفی می

گردد:

نرم افزار CONCEPTS توسط دانشکده کشاورزی ایالات متحده امریکا(USDA) تهیه شده است و به تحلیل یک بعدی جریان بصورت دایمی و غیر دایمی می پردازد.

نرم افزار Gstars,1998 برای شبیه سازی جریان به صورت نیمه دو بعدی در روخانه های تک شاخه بامرزهای صلب و متحرک طراحی شده است و دارای قابلیتهایی چون ، انجام مدلسازی بصورت شبه دائمی یا نیمه دائم ، انجام محاسبات انتقال رسوب با استفاده از ١٤ روش مختلف محاسبه ظرفیت انتقال رسوبات ، انجام محاسبات پروفیل سطح آب در رژیم جریان مختلط (زیر بحرانی ، فوق بحرانی و پرش هیدرولیکی ) است . این نرم افزار توسط محققین گروه هیدرولیک رودخانه اداره احیاء منابع آب در غرب آمریکا تهیه شده است .

نرم افزار wspro در ژوئن ١٩٩٨ توسط سازمان بزرگراههای امریکا (FHWA) تهیه شده است و به مدلسازی یک بعدی جریان متغیر تدریجی می پردازد.

نرم افزار(HEMAT) با پشتیبانی سازمان مدیریت منابع آب ایران توسط محققین داخلی تهیه شده و به تحلیل جریان ، محاسبه پروفیل سطح آب ، انتقال رسوبات و کیفیت آب بصورت یک بعدی و دو بعدی می پردازد.