کتاب مقدمه‌ ای بر مدلسازی عددی در مهندسی هیدرولیک اثر سرکرده ناشر فدک ایساتیس

پیشگفتار

 امروزه پروژه‌های مهندسی هیدرولیک در شاخه‌های مختلف رودخانه، سدسازی، آب و فاضلاب، محیط زیست و.... نقش مهمی در توسعه جوامع مختلف و بخصوص در کشور عزیزمان ایفا می‌کند. هم‌زمان آگاهی از روش‌های نوین حل‌مسائل برای مهندسین و دست‌اندکاران این شاخه‌ی مهندسی لازم و ضروری می‌باشد. متاسفانه مراجع فارسی در‌این زمینه انگشت شمار می‌باشند.
 در‌این کتاب سعی شده است تا ضمن مرور مطالب اساسی هیدرولیک مقدماتی، روش‌های مدل‌سازی عددی مسائل عملی هیدرولیک در حالت یک‌بعدی، دو‌بعدی و سه‌بعدی برای جریان دائمی و غیر دائمی تشریح شود. کاربردهای مختلف مدل‌سازی عددی در مسائل مختلف مهندسی از جمله مهندسی رودخانه و مهندسی محیط زیست مورد بررسی قرار گرفته و مثال‌های کاربردی متعددی ذکر شده‌ است. همچنین سعی شده است مطالب به‌گونه‌ای مطرح شوند که علاوه بر کاربرد برای متخصصین، بتواند برای دانشجویان دوره‌های کارشناسی و تحصیلات تکمیلی نیز قابل استفاده باشد.
 مطمئناً این مجموعه دارای نواقصی است که با راهنمایی متخصصین و اساتید گران‌قدر این مرز‌و‌بوم می‌تواند به‌مرور کاهش یابد تا در چاپ‌های بعدی مفیدتر باشد.
 مولفین لازم می‌دانند از مدیریت محترم انتشارات فدک ایساتیس آقای مجیدرضا زروئی که زحمت انتشار این کتاب را برعهده‌داشتند و هم‌چنین آقای عوض لطیفی که ویراستاری ادبی و خانم بیتا تبریزی‌پورکه صفحه‌آرایی کتاب را انجام دادند کمال تشکر را داشته باشند.
 این مجموعه به روان پاک شهیدان که با خون خود عزت و امنیت را برای کشور عزیزمان به ارمغان آوردند تقدیم می‌شود.

 گروه مولفان

.......................................................................................................................... 

فهرست مطالب

فصل اول مقدمه 1

1.1 هدف 3
2.1 طبقه بندی برنامه های کامپیوتری 4

فصل دوم معادلات حاکم بر جریان سیال 7

1.2 معادلات حاکم بر جریان سیالات 9
2.2 طبقه بندی انواع جریان 10
1.2.2 طبقه بندی بر اساس تغییرات پارامترهای هیدرولیکی جریان 10
2.2.2 طبقه بندی بر اساس نیروهای حاکم بر جریان 11
3.2 معادلات حاکم بر جریان آشفته 19
1.3.2 متوسط گیری زمانی 19
2.3.2 معادلات حرکت در جریان های آشفته 20
4.2 مدلسازی جریانات آشفته و مدلهای آشفتگی 23
1.4.2 روابط اساسی حاکم بر لزجت آشفتگی 24

فصل سوم هیدرولیک رودخانه 27

1.3 جریان یکنواخت 29
1.1.3 نیمرخ قائم سرعت در جریان یکنواخت 30
2.1.3 معادله سرعت متوسط در جریان یکنواخت 31
3.1.3 انرژی مخصوص 33
4.1.3 نیروی مخصوص و پدیده پرش هیدرولیکی 34
2.3 جریان متغیر تدریجی دائمی 35
1.2.3 طبقه بندی پروفیل های سطح آب در جریان متغیر تدریجی 36
2.2.3 معادله دینامیکی جریان متغیر تدریجی 37
3.3 جریان غیر دائمی 39
1.3.3 جریان غیر دائمی متغیر تدریجی 40
2.3.3 جریان غیر دائمی متغیر سریع( تحلیل پدیده موج) 42
4.3 اندازه گیری دبی جریان در یک رودخانه طبیعی 45
مسائل 47

فصل چهارم کلیات مدل سازی عددی 49

1.4 طبقه بندی معادلات دیفرانسیل جزئی مرتبه دوم 51
2.4 مولفه های مدل سازی عددی 51
3.4 خصوصیات مشترک روش های عددی 53
4.4 روش تفاضل محدود 55
5.4 الگوهای حل صریح و ضمنی 57
6.4 مدل سازی در حالت دو بعدی و سه بعدی 65
1.6.4 شبکه ها 65
2.6.4 تولید شبکه 69
3.6.4 درون یابی نامحدود 69
4.6.4 تولید شبکه منحنی شکل 70

فصل پنجم مدل سازی عددی جریان رودخانه در حالت یک بعدی 71

1.5 جریان دائمی 73
2.5 جریان غیر دائمی 75
3.5 جریان غیر دائمی – موج سینماتیک 76
4.5 جریان غیر دائمی – حل معادلات سن و نان 79
1.4.5 روش صریح 80
2.4.5 روش غیر صریح 84
5.5 روندیابی هیدرولوژیک 86
6.5 HEC-RAS90
7.5 نرم افزار تجاری 90
مسائل 92

فصل ششم مدل سازی عددی سرعت آب در حالت دو بعدی و سه بعدی 93

1.6 معادلات ناویر – استوکس 95
2.6 روش SIMPLE 97
3.6 مدل های پیشرفته آشفتگی 100
1.3.6 مدل اسپالارت – الماراس 100
4.6 شرایط مرزی 103
1.4.6 جریان ورودی 103
2.4.6 جریان خروجی 103
3.4.6 سطح آب 103
4.4.6 بستر/ دیوار 104
5.6 پایداری و همگرایی 104
6.6 خطاها و عدم قطعیت در CFD 110
7.6 SSIIM 111
مسائل 112

فصل هفتم انتشار آلودگی ها 113

1.7 مقدمه 115
2.7 فرمول های ساده برای ضریب پخشیدگی 115
3.7 انتشار یک بعدی 117
4.7 جت ها 118
5.7 مدل سازی دوبعدی و سه بعدی انتشار آلودگی 121
1.5.7 روش های گسسته سازی 121
2.5.7 روش بالادست مرتبه اول 122
3.5.7 برنامه نویسی جدولی 125
4.5.7 خطای پخشیدگی 128
5.5.7 روش بالادست مرتبه دوم 129
6.5.7 محاسبات وابسته به زمان و عبارت های منبع 131
مسائل 133

فصل هشتم مدلسازی عددی جریان در محیط های متخلخل 135

1.8 مقدمه137
2.8 جریان در محیط های متخلخل در حالت ماندگار 137
3.8 حل عددی معادله لاپلاس 138
4.8 حل عددی معادله بوزینسک در حالت ماندگار 148
5.8 حل عددی معادله بوزینسک در حالت غیر ماندگار 155
مسائل 157

فصل نهم دریاچه‌شناسی فیزیکی 159

1.9 مقدمه 161
2.9 چرخه دریاچه های لایه بندی نشده 161
3.9 دما و لایه بندی 162
4.9 چرخه تحت تاثیر باد در دریاچه های لایه بندی شده 166
5.9 سیچ ها 169
6.9 چرخه تحت تاثیر رودخانه و شتاب کوریولیس 170
7.9 جریان های چگال 172
8.9 آبگیرها در مخازن لایه بندی شده 172
مسائل 174

فصل دهم زیست شناسی آب 175

1.10 مقدمه 177
2.10 واکنش های زیست شیمیایی 177
3.10 ترکیبات سمی 179
4.10 طبقه بندی های دریاچه ها 180
5.10 چرخه مواد مغذی 181
6.10 QUAL2E 185
7.10 فیتوپلانکتن 186
مسائل 189

فصل یازدهم انتقال رسوب 191

1.11 مقدمه 193
2.11 فرسایش 194
3.11 رسوبات معلق و بار بستر 197
4.11 فرمول های یک بعدی انتقال رسوب 200
5.11 شکل های بستر 202
6.11 مدل سازی عددی انتقال رسوب 203
7.11 مخازن و رسوبات 204
8.11 ریخت شناسی آبرفتی 206
9.11 مطالعات مدل فیزیکی 212
مسائل 215

فصل دوازدهم مدل سازی اجتماع طبیعی ماهی ها در رودخانه 217

1.12 مقدمه 219
2.12 تحلیل اجتماع ماهی ها 219
3.12 مدل های هیدرولیکی صفر یا یک بعدی 222
4.12 مدل های هیدرولیکی چند بعدی 223
5.12 مدل های زیست انرژی 223
مسائل 224

پیوست ها 227

پیوست اول برنامه محاسبه تغییرات پروفیل سرعت بین دو صفحه با روش‌های صریح، ضمنی و نیمه صریح 239
پیوست دوم برنامه حل عددی معادله تراوش در خاک برای شبکه جریان زیر سد 232
منابع و مراجع 227