پایان‌نامه دکتری در رشته مهندسی عمران- آب و محیط زیست –

مطالعه مدلهای شبکه­ای به عنوان روشی عددی برای حل معادلات آبهای زیرزمینی

 

تیر ماه 1392

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
چکیده
 
 
مطالعه مدلهای شبکه­ای به عنوان روشی عددی برای حل معادلات آبهای زیرزمینی
 
 
به کوشش
پرژنگ منجمی
 
 
روشهای شبکه­ای مانند پر کاربردترین ابزارهای مدلسازی آبهای زیرزمینی می­باشند که طی دو دهه‌ی اخیر گسترش و مقبولیت فراوانی یافته­اند. از دیگر سوی، پیشرفت قدرت محاسباتی کامپیوترها و سادگی دسترسی به آنها باعث توسعه‌ی سریع روشهای عددی برای حل مسائل آبهای زیرزمینی گردیده‌اند. در این پژوهش کوشش شده تا با نظری نو به روشهای شبکه­ای، این روشها به عنوان یک مدل عددی برای شبیه­سازی چگونگی‌ی حرکت آبهای زیر زمینی، معرفی شوند. بدین مقصود، با جایگزین کردن شبکه­ای مربعی به جای محیط متخلخل و حل شبکه‌ی مزبور، دستگاهی از معادلات جبری بدست آمده که با حل آنها، توزیع هد هیدرولیکی درون محیط متخلخل معلوم می گردد. همچنین با ایجاد اصلاحاتی در شبکه‌ی مذکور مانند افزودن اعضا‌ی قطری و به کارگیری اعضا‌ی موهومی، پاسخهای دقیقتری بدست آمده می باشد. در نهایت، با توسعه‌ی این مدل شبکه­ای، یک مدل غیر نظام­مند جهت حل جریان در یک شبکه‌ی دلخواه ارائه ­شده می باشد. برای صحت سنجی مدل، مسائل گوناگونی حل شده و پاسخها با روشهای عددی تفاضل محدود و عناصر محدود در حالتهای ماندگار و نا­ماندگار مقایسه گردیده­اند. مسائل ماندگار حل شده در این پژوهش عبارتند از: شبیه سازی جریان بدون حضور چشمه و چاه (معادله­ی لاپلاس) در دامنه­های مربعی، مستطیلی، مثلثی، تقاطع °90 و عبور جریان از اطراف استوانه و شبیه سازی جریان با حضور چاه (معادله­ی پواسون) در دامنه­ی مستطیلی. مسایل ناماندگار مطالعه شده نیز شامل شبیه سازی جریان دردامنه­های یک بعدی و مربعی می باشد. نتایج بدست آمده از حل این مسائل، بیانگر این موضوع می باشد که اولاً، روشهای شبکه­ای را می­توان به عنوان ابزاری عددی توسعه داده و برای مدلسازی جریان در محیط متخلخل از آنها بهره گیری نمود. ثانیاً، بهره­گیری از اعضای قطری و موهومی باعث رسیدن به پاسخهایی دقیقتر از روشهای تفاضل محدود و عناصر محدود می­گردد. مزیت دیگر روش شبکه­ای امکان ساخت آزمایشگاهی این مدل می­باشد. در این پژوهش شبکه‌ای از لوله­ها در آزمایشگاه ساخته گردید و مسائلی زیرا حرکت آب در اطراف یک مستطیل غیر قابل نفوذ، درمحیطی با مرزهای مرکب، در زیر پرده‌ی آب­بند سد، در آبخوان آزاد و در آبخوانی ناهمگن و ناهمسان، توسط آن مطالعه گردید. نتایج بدست آمده از مجموعه‌ی این آزمایشها نشان داد که اولاً، این وسیله‌ی آزمایشگاهی از نقطه نظر ساخت و کاربری، نسبت به وسایل دیگری زیرا جعبه شنی، گویهای کروی، مدارهای الکتریکی و سایر مدلهای آزمایشگاهی متداول، ساده­تر بوده و ثانیاً، به رغم سادگی، نتایج حاصل ازآن تطابق خوبی با جوابهای عددی ارائه شده در پژوهش دارد.


 
 
 
 
فهرست مطالب
 

 

عنوان صفحه
  1. کلیات 1

1-1 مقدمه 1
1-2 هدف از انجام این پژوهش 2
1-3 روش انجام پژوهش 4
1-4 نوآوری پژوهش 5
1-5 ساختار پایان نامه 5

  1. پیشینه‌ی پژوهش 7

2-1 مقدمه 7
2-2 انواع مدلها 9
2-2-1 مدلهای ریاضی (mathematical models) 9
2-2-1-1 طبقه ‌بندی مدلهای ریاضی 10
2-2-1-2 معادله‌ی حاکم بر آبهای زیر زمینی 10
2-2-2 مدلهای فیزیکی (physical models) 13
2-2-3 مدلهای تمثالی(analog models) 15
2-2-3-1 مدلهای شبکه‌ای Pore Network Models (PNMs) 16
2-2-3-2 مدلهای سیال لزج (viscous fluid models) 25
2-2-3-3 مدلهای غشایی (membrane models) 26
2-2-3-4 مدلهای حرارتی (thermal models) 26
2-2-3-5 مدلهای الکتریکی (electrical models) 27
َ2-3 روشهای عددی 28
2-3-1 روش تفاضل محدود (finite difference method) 29
2-3-2 روش حجم محدود (finite volume method) 32
2-3-3 روش عناصر محدود (finite element method) 34
2-3-4. روش عناصر مرزی (boundary element method) 36
2-3-5 روش عددی دیفرانسیل کوادراچر (differential quadrature method) 39
2-3-6 روشهای طیفی (spectral methods) 40

  1. معرفی روش شبکه‌ای به عنوان روشی عددی برای حل معادله‌ی آبهای زیرزمینی 41

3- 1 مقدمه 41
3-2 مبانی تئوریکی روشهای شبکه‌ای 42
3-2-1 معادله‌ی حاکم بر روش شبکه‌ای 42
3-2-2 معادله‌ی جبری حاکم بر روش شبکه‌ای در حالت ماندگار 45
3-2-3 تأثیر ناهمگنی و ناهمسانی بر معادلات جبری حاکم 50
3-2-4 تزریق و برداشت 51
3-2-5 معادله‌ی جبری حاکم بر روش شبکه‌ای در حالت ناماندگار 51
3-2-6 آبخوان محصور و آزاد 52
3-2-7 اصلاح روش شبکه‌ای 53
3-2-7-1 بهبود با بهره گیری از افزایش اتصال گره‌ها 53
3-2-7-2 بهبود با بهره گیری از چگونگی‌ی مدل کردن گره‌های مرزی 57
3-2-8 معادله‌ی حاکم در حالت کلی 59
3-2-9 تأثیر شکل هندسی مجاری بر روش شبکه‌ای 61
3-2-9-1شکل مجاری 61
3-2-9-2 معادله‌ی حاکم 62
3- 3 مدل آزمایشگاهی 70
3-3-1 مقدمه 70
3-3-2 چگونگی‌ی ساخت مدل آزمایشگاهی 70
3-3-3 روش انجام آزمایش 71
3-3-3-1محیط همگن و همسان با هد ثابت 72
3-3-3-2 آزمایش آبخوان آزاد 72
3-3-3-3 آزمایش لایه‌ی غیر قابل نفوذ 72
3-3-3-4 آزمایش ناهمگن و ناهمسان بودن محیط متخلخل 73
3-3-3-5 آزمایش جریان ناماندگار 74

  1. مثالهای عددی و آزمایشگاهی و بحث در نتایج به دست آمده 75

4-1 مقدمه 75
4-2 مثالهای عددی 76
4-1-1 مثال 1) مسأله‌ی حالت ماندگار در محدوده‌ی مربعی و شرایط               مرزی شکل 4-1 76
4-1-2 مثال 2) مسأله‌ی حالت ماندگار در محدوده‌ی مربعی و شرایط مرزی         شکل 4-5 87
4-1-3 مثال 3) مسأله‌ی حالت ماندگار در محدوده‌ی مستطیلی و شرایط           مرزی شکل 4-8 91
4-1-4 مثال 4) مسأله‌ی حالت ماندگار در محدوده‌ی مثلثی و شرایط مرزی     شکل4-11 94
4-1-5 مثال 5) مسأله‌ی حالت ماندگار با وجود چاه در محدوده‌ی مستطیلی             و شرایط مرزی شکل 4-14 97
4-1-6 مثال 6) مسأله‌ی حالت ماندگار در دامنه‌ای L شکل و شرایط                  مرزی شکل 4-17 99
4-1-7 مثال 7) مسأله‌ی حالت ناماندگار یک بعدی 101
4-1-8 مثال 8) مسأله‌ی حالت ناماندگار دو بعدی 104
4-1-9 مثال 9) مسأله‌ی حالت ماندگار با شرایط مرزی منحنی 107
4-1-10 مثال 10) مسأله‌ی حالت ماندگار در محدوده‌ی مستطیلی و               شرایط مرزی شکل 4-25 110
4-1-11 مثال 11) مسأله‌ی حالت ماندگار در محدوده‌ی مثلثی و شرایط           مرزی شکل 4-27 113
4-3 مثالهای آزمایشگاهی 116
4-3-1 آزمایش 1) جریان در اطراف یک مانع مستطیلی 117
4-3-2. آزمایش 2) جریان با شرایط مرزی مرکب 120
4-3-3 آزمایش 3) جریان از زیر پرده‌ی آب بند 122
4-3-4 آزمایش 4) جریان در آبخوان آزاد 124
4-3-5 آزمایش 5) جریان در آبخوانی ناهمگن و ناهمسان 127

  1. نتیجه‌گیری و پیشنهادات 132
این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه ارشد عمران سازه :بررسی تاثیر الیاف و مواد پوزولانی بر روی خواص مکانیکی بتن مسلح شده با الیاف شیشه

پیوستها 134
پیوست 1. حل تحلیلی مثال 1 134
پیوست 2. حل تحلیلی مثال 2 136
پیوست 3. حل تحلیلی مثال 3 137
پیوست 4. حل تحلیلی مثال 4 138
پیوست 5. حل تحلیلی مثال 5 140
پیوست 6. حل تحلیلی مثال 7 142
پیوست 7. حل تحلیلی مثال 8 144
پیوست 8. حل تحلیلی مثال 9 146
پیوست 9. حل تحلیلی آزمایش 4 146
فهرست منابع 148


 
 
 
فهرست شکلها
 
 

عنوان صفحه

 
شکل 2- 1. فلوچارت مدل کردن آب زیرزمینی (Baalousha, 2008) 7
شکل 2- 2. المان دو بعدی در محیط متخلخل 11
شکل 2- 3. آبخوان غیر محصور 12
شکل 2- 4. المان به کار رفته در مدل شبکه‌ای (Marios and Ioannis, 1992) 17
شکل 2- 5. سطح مقطعهای مختلف مجراهایPNM (Man and Jing, 2000) 17
شکل 2- 6. شکلهای مورد بهره گیری در شبیه سازی حفرات و مجاری موجود در محیط متخلخل (Acharya et al., 2004) 18
شکل 2- 7. چگونگی‌ی ساخت مجاری ارتباطی (Acharya et al., 2004) 18
شکل 2- 8. نمودارضریب نفوذ پذیری ذاتی بر حسب تخلخل  (Acharya et al., 2004) 19
شکل 2- 9. مقایسه‌ی بین ضریب نفوذ پذیری به دست آمده با بهره گیری از معادله‌ی   Carman-Kozeny و روش شبکه‌ای (Acharya et al., 2004) 19
شکل 2- 10. مقایسه‌ی بین پروفیل سرعت در حفرات با بهره گیری از (a)آزمایش                 و (b) روش شبکه‌ای (Mazaheri et al., 2005) 20
شکل 2- 11. نشان دادن فرضیات مبنی بر به دام افتادن آب در هنگام زهکشی       (Joekar et al., 2008) 20
شکل 2- 12. نشان دادن به دام افتادن هوا در یک مجرای تنها و مجموعه‌ای از مجراها (Joekar et al., 2008) 21
شکل 2- 13. مقایسه‌ی بین جوابهای مختلف به دست آمده از مدل و آزمایش           (Joekar et al., 2008) 21
شکل 2- 14. نمایش اتصال یک گره به بیست و شش گره مجاور                           (Raoof and Hassanizadeh, 2010) 22
شکل 2- 15. تاثیر تعداد شبکه‌ها در فشار ورودی و زمان رسیدن جبهه‌ی                       آب و DNAPL (Nsir and Schafer, 2010) 22
شکل 2- 16. تاثیر شکل سطح مقطع در نمودارهای P-s و α-S (Joekar et al., 2010) 23
شکل 2- 17. مقایسه‌ی بین جوابهای به دست آمده از مدل و آزمایش برای               منحنی‌های P-s, α-S (Joekar et al., 2010) 23
شکل 2- 18. تاثیرشکل سطح مقطع در نمودارهای P-s, α-S (Jiang et al., 2012) 24
شکل 2- 19. شبکه بندی دامنه‌ی مورد نظر با بهره گیری از روش تفاضل محدود.                 (a) فواصل منظم. (b) فواصل غیر منظم (, 2010.et al Bear) 29
شکل 2- 20. ارتباط گره‌های مختلف با بهره گیری از روش تفاضل محدود رایج           (Iserles, 2009) 31
شکل 2- 21. ارتباط گره‌های مختلف با بهره گیری از روشهای غیر رایج تفاضل محدود   (Iserles, 2009) 31
شکل 2- 22. ارتباط گره‌های مختلف با بهره گیری از روشهای غیر رایج تفاضل محدود         برای مرزهای غیر منظم. شبکه بندی لانه زنبوری (Iserles, 2009) 31
شکل 2- 23. مقایسه‌ی بین شبکه بندی (a) کارتزین تفاضل محدود و                         (b) غیر متعامد حجم محدود (Louydi et al., 2007) 32
شکل 2- 24. شبکه بندی دامنه‌ی مورد نظر با بهره گیری از روش حجم محدود           (Chung, 2002) 33
شکل 2- 25. سطوح کنترل بین گره‌های 1 و 7 (Chung, 2002) 33
شکل 2- 26. چگونگی‌ی شبکه بندی و نقاط مؤثر در روش دیفرانسیل کودراچر             (Iserles, 2009) 39
شکل 2- 27. چگونگی‌ی شبکه بندی و نقاط مؤثر در روش دیفرانسیل کودراچر محلی   (Iserles, 2009) 40
شکل 3- 1. ساختار شبکه‌ی مستطیلی روش شبکه‌ای (RPNM) 43
شکل 3- 2. المانی نشان داده شده از روش RPNM 43
شکل 3- 3. گره داخلی دلخواه از شبکه‌ی مربعی (SPNM) 45
شکل 3- 4. نمایش محاسباتی گره داخلی از SPNM 46
شکل 3- 5. نمایش سه نوع شرط مرزی مختلف روی دامنه‌ای دلخواه از SPNM 47
شکل 3- 6. نمایش گرهی دلخواه واقع بر مرزی با شرایط     48
شکل 3- 7. در نظر گرفتن نقطه ای بیرون از مرز برای مطالعه شرایط      48
شکل 3- 8. در نظر گرفتن نقطه‌ای بیرون از مرز برای مطالعه شرایط         49
شکل 3- 9. کاهش قطر به مقصود مدل سازی کاهش ضریب هدایت هیدرولیکی 50
شکل 3- 10. اضافه کردن اعضای قطری به شبکه‌ی مربعی SDPNM 54
شکل 3- 11. گره داخلی دلخواه از SDPNM 54
شکل 3- 12. نمایش محاسباتی گرهی داخلی از SDPNM 55
شکل 3- 13. نمایش سه نوع شرط مرزی مختلف روی دامنه‌ای دلخواه از SDPNM 55
شکل 3- 14. افزایش طول لوله بجای کاهش قطر آن برای شبیه سازی کاهش              ضریب هدایت هیدرولیکی 60
شکل 3- 15. چگونگی‌ی اتصال یک گره به گره‌های مجاور در UPNM 60
شکل 3- 16. چگونگی‌ی تغییر سطح مقطع در طول لوله 62
شکل 3- 17. ساختار شبکه‌ی غیر منشوری SPNM 63
شکل 3- 18. گرهی داخلی از شبکه‌ی غیر منشوری SPNM 64
شکل 3- 19. نمایش محاسباتی گرهی داخلی از شبکه‌ی غیرمنشوری SPNM 64
شکل 3- 20. ساختار شبکه‌ی غیرمنشوری SDPNM 65
شکل 3- 21. گرهی داخلی از شبکه‌ی غیر منشوری SDPNM 65
شکل 3- 22. نمایش محاسباتی گرهی داخلی از شبکه‌ی غیرمنشوری SDPNM 66
شکل 3- 23. (a) مدل آزمایشگاهی (b) نمایی شماتیک از مدل 71
شکل 3- 24. مدل آزمایشگاهی برای شبیه سازی آبخوان آزاد 72
شکل 3- 25. (a) وجود پرده‌ی آب بند در محیط متخلخل واقعی. (b) چگونگی‌ی              شبیه سازی پرده‌ی آب بند در آزمایشگاه 73
شکل 3- 26. افزایش طول لوله‌های مدل آزایشگاهی به مقصود شبیه سازی                 کاهش ضریب نفوذ پذیری 74
***ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود می باشد***

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

زیرا فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به گونه نمونه)

اما در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

 با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند

موجود می باشد

تعداد صفحه :193

قیمت : 14700 تومان

***

دسته‌ها: عمران