دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب
دانشکده تحصیلات تکمیلی
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
گرایش: عمران – سازه های هیدرولیکی
عنوان:
ارائه یک مدل عددی – ریاضی برای بررسی پدیده شکست سد به روش حجم محدود با استفاده از شبکه بندی ورونوی
چکیده
شکست سد از جمله وقایعی است که خ س ارات مالی و جانی زیادی به همراه دارد. لذ ا در طرح سد ها باید این پدیده به طور کامل مورد مطالعه قرار گیرد تا تمهیدات لازم جهت کنترل سیلابهای بزرگ ناشی از شکست سد صورت گیرد. به علت رویارویی با آزاد شدن حجم عظیمی از آب پشت سد به صورت ناگهانی و بروز امواج سهمگین با سرعت زیاد و زمان کم برای اخطار عواملی چون میزان سرعت امواج و ارتفاع جریان از دیرباز مورد توجه و مطالعه محققین بوده است. جهت بررسی پدیده شکست، محققین معادلات حاکم بر آبهای کم عمق را در نظر گرفته و با توجه به عدم وجود روشهای دقیق ریاضی جهت حل این معادلات در حالت کلی،روش های عددی متفاوتی را پیشنهاد کردند.
در این پژوهش پس از مطالعه تئوری حاکم بر شکست سد و معادلات حاکم بر آن از روش عددی حجم محدود با توجه به مزایای عمده آن مانند شبیه سازی جریان سیالات و استفاده از شبکه بندی غیر منظم ودلخواه و مسائل با هندسه نا منظم وحافظ قانون بقا و همچنین روش شبکه بندی ورونوی با توجه به ویژگی های منحصر به فرد و سازگاری مناسبی که با روش حجم محدود دارا می باشد برای منفصل سازی معادلات حاکم بر شکست سد وحل عددی آن استفاده شده است و در ادامه برنامه ای کامپیوتری به کمک نرم افزار و زبان برنامه نویسی قدرتمند متلب تهیه خواهد شد و نتایج حاصل در انتها مورد ارزیابی و صحت سنجی قرار می گیرد.
فصل اول: مقدمه
1-1- دورنمای تحقیق
آب به عنوان اساسی ترین ماده برای تشکیل حیات و ادامه چرخه زندگی موجودات زنده، از ابتدای پیدایش انسان از اهمیت فوق العاده ای برخوردار بوده است. چنانچه اولین تمدن های بشری در کنار آب شیرین رودخانه شکل گرفته است. اهمیت وجود آب برای ادامه زندگی و بدست آوردن مواد غذایی دامی و کشاورزی با کمک آن از یک سو و در دسترس نبودن آب شیرین در تمام مناطق کره زمین از سوی دیگر باعث گردید تا انسان در طول دوران حیات خود به فکر راهی برای انتقال و مهار و ذخیره آب بیفتد. اصلی ترین روش برای مهار و ذخیره آب جاری رودخانه ها، استفاده و ساخت سدها و بندها بر روی آنها می باشد که در طول تاریخ به شکل ها و با روشهای مختلفی ساخته و مورد استفاده قرار گرفته اند. آب موجود در مخزن سدها به علت داشتن پتانسیل بالا همواره به دنبال راهی برای فرار و حر کت به سمت پایین دست سد می باشد که با حادثه ای امکان تخریب سد و روانه شدن حجمه عظیمی از همان آبی که مایع حیات بود وجود دارد و این پدیده می تواند خسارات جبران ناپذیری وارد نماید.
همانطور که بیان شد شکست سد از جمله وقایعی است که خسارات مالی و جانی زیادی به همراه دارد. لذادر طراحی سدها باید این پدیده به طور کامل مورد مطالعه قرار گیرد تا تمهیدات لازم جهت کنترل سیلابهای بزرگ، ناشی از شکست سد صورت گیرد. به علت رویارویی باآزاد شدن حجم عظیمی از آب پشت سد به صورت ناگهانی و بروز امواج سهمگین با سرعت زیاد و زمان کم برای اخطار عواملی چون میزان سرعت امواج و ارتفاع جریان از دیرباز مورد توجه و مطالعه محققین بوده است. جهت بررسی پدیده شکست، محققین معادلات حاکم بر آبهای کم عمق را در نظر گرفته و با توجه به عدم وجود روشهای دقیق ریاضی جهت حل این معادلات در حالت کلی روش های عددی متفاوتی را پیشنهاد کرده اند. این پدیده در ابتدا بوسیله روابط تجربی و تحلیلی و یا ساخت مدلهایی در ابعاد کوچکتر از اندازه طبیعی مورد بررسی و اندازه گیری قرار می گرفت، که این روشها علاوه بر داشتن مشکلات ناشی از عدم تطابق کامل با نمونه اصلی در اکثر موارد دارای هزینه های بالای اجرایی بودند . اما پس از ظهور کامپیوترهای با قدرت محاسباتی بالا و در راستای آن معرفی روشهای حل عددی معادلات دیفرانسیل که وابسته به استفاده از این ماشین های محاسباتی می باشند، این پدیده نیز همانند دیگر پدیده های علمی بوسیله روش های مختلف عددی مورد تحلیل و بررسی محققین بسیاری قرار گرفت. روشهای مورد استفاده در حل عددی معادلات به لحاظ روش حل معادلات و نوع شبکه بندی محیط مورد بررسی، قابل تقسیم بندی می باشند.اصلی ترین روشهای عددی مورد استفاده روشهای تفاضل محدود، المان محدود و حجم محدود می باشند که هر کدام دارای قابلیت ها و معایبی می باشند.
2-1- اهداف تحقیق
خسارات ناشی از پدیده شکست سد در دهه های گذشته به حدی بوده است که عملا، مطالعه سدها بدون در نظر گرفتن این پدیده در آنها را به امری غیر مهندسی و غیر قابل قبول تبدیل نموده است اثر این پدیده می تو اند باعث خسارات غیر قابل جبران به خود سد و تاسیسات آن و خسارات جانی و مالی فراوان به انسانها گردیده اند. با توجه بهاهمیت مسئله، لزوم شناخت چگونگی عملکرد آن، برآورد محل و مقدار سیلاب و متعاقبا راههای کنترل، ممانعت و مدیریت آن یکی از مهمترین پارامترها در مطالعه این سازه های بزرگ، استراتژیک، پر هزینه و حیاتی می باشد.
با اینکه در دهه های گذشته روشهای مختلف تجربی، تحلیلی و عددی برای محاسبه مقدار دقیق این پدیده مورد استفاده قرار گرفته است، ولی تمامی روشهای یاد شده از معایب و مزایایی برخوردار می باشند. در این تحقیق از تلفیق یک روش عددی مبتنی بر روش حجم محدود که در مدلسازی جریان سیالات بسیار مناسب و کاربردی می باشد، به همراه استفاده از روش شبکه بندی محیطی ورنوی که در مسائل با هندسه پیچیده و نامنظم بسیار تطبیق پذیر و کاربردی می باشد، استفاده گردیده است تا به کمک آنها بتوان پدیده مورد بررسی را به نحوی دقیق تر، با سرعت زمانی بالاتر و روشی قابل تطبیق تر با شرایط نمونه اصلی طرح مورد ارزیابی قرار گیرد.
از طرفی ارائه روش حلی جدید در مهندسی عمران که در آن از تلفیق دو روش حجم محدود و شبکه بندی ورنوی برای شبیه سازی جریان سیال استفاده شده است، روزنه ای کوچک ولی کاربردی را برای کارهای عددی آتی در این رشته و به خصوص در رشته هیدرولیک و مهندسی آب بوجود می آورد، و امید است مورد استفاده و مفید فایده محققین بعدی که به روشهای عددی علاقه مند می باشد قرار گیرد.
برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید
نظرات شما عزیزان:
تبادل لینک هوشمند