عنوان

شبیه‌سازی جریان‌های سطحی و زیر سطحی آب در آبیاری قطره‌ای با استفاده از معادلات ناویر- استوکس و ریچاردز

‭۱۷۲۵۱پ‬

per

شبیه‌سازی جریان‌های سطحی و زیر سطحی آب در آبیاری قطره‌ای با استفاده از معادلات ناویر- استوکس و ریچاردز

/یاسر یکانی‌مطلق

: کشاورزی

، ‮‭۱۳۹۵‬

چاپی

فاقد چکیده لاتین

دکتری

آبیاری و زهکشی

‮‭۱۳۹۵/۰۶/۱۴‬

تبریز

دانستن دینامیک آب در حجم مرطوب شده خاک در اطراف قطره‌چکان، پیش‌شرطی برای طراحی سامانه های آبیاری و مدیریت دوگانه آب و مواد شیمیایی می‌باشد .در حقیقت برای نوع خاک مشخص، دانستن تکامل و سیر تدریجی تغییر شکل حجم مرطوب شده، می‌تواند در تعیین فاصله قطره‌چکان‌ها و مدت زمان آبیاری مفید واقع شود .در آبیاری قطره‌ای برای پیش‌بینی جبهه رطوبتی توسط مدل‌های عددی و تحلیلی از جمله هایدروس، پارامترهای مختلفی به عنوان ورودی برای این مدل‌ها در نظر گرفته می شود که یکی از این پارامترها سطح تغذیه اشباع به وجود آمده در سطح خاک می باشد که مقادیر این سطح معمولا از طریق آزمایش یا باسعی و خطا به دست می آید همچنین این مدل‌ها در صورتی که شدت جریان قطره‌چکان‌ها بیشتر از نفوذپذیری خاک باشد نتایج قابل اعتمادی را نمی‌دهند .بنابراین ارائه مدلی که بتواند سطح تغذیه را در گام‌های زمانی مختلف شبیه‌سازی کرده و قابلیت انطباق با شرایط جریان زیرسطحی را داشته باشد، می‌تواند باعث افزایش دقت شبیه‌سازی و کاهش هزینه‌های انجام آزمایشات تجربی جهت تعیین سطح تغذیه اشباع در مدل‌های عددی جهت مشخص نمودن جبهه رطوبتی گردد .در این تحقیق به منظور محاسبه سطح تغذیه اشباع خاک و محاسبه دقیق جبهه رطوبتی، مدل جدید کوپل معادلات سطحی دو فاز) معادلات ناویر- استوکس و مدل ‮‭VOF)‬ و زیر سطحی)ریچاردز (برای شبیه‌سازی جریان سطحی آب هوا و جبهه رطوبتی داخل خاک در آبیاری قطره‌ای سطحی ارائه شده است .برای این منظور ابتدا معادله ریچاردز با روش حجم محدود گسسته‌سازی شد و با معادلات ناویر استوکس دو فاز براساس الگوریتم ارائه شده در این تحقیق کوپل گردید .مدل پیشنهادی در این تحقیق در چهار بخش مجزا مورد اعتبار سنجی قرار گرفت .در بخش اول به بررسی کیفی نتایج و ساختار جریان و نحوه شکل‌گیری جبهه رطوبتی پرداخته شد .بررسی کیفی نتایج شبیه‌سازی شده نشان داد که این مدل ساختار جریان را) خروج آب از قطره‌چکان، نفوذ در خاک و توسعه پیاز رطوبتی (در انواع بافت خاک و دبی‌های مختلف جریان به خوبی و با دقت مناسب شبیه‌سازی می نماید .بررسی کمی نتایج در سه بخش مجزا صورت گرفت به‌طوری‌که در بخش دوم مساحت سطح تغذیه اشباع حاصل از مدل برای سطح خاک با نتایج مطالعات میدانی در دسترس مقایسه گردید برای این منظور در چهار بافت سیلت رسی، لوم، لوم رسی شنی و رسی مقادیر اندازه‌گیری شده مساحت سطح تغذیه اشباع خاک در دبی‌های مختلف قطره چکان با نتایج شبیه سازی شده بر اساس سه شاخص آماری درصد خطای نسبی‮‭(ME)‬ مجذور میانگین مربعات خطا ‮‭(RMSE)‬و کارایی مدل ‮‭(EF)‬ مقایسه گردید .نتایج نشان داد که مدل ارائه شده بدون نیاز به انجام آزمایش‌های میدانی و با دقت زیاد سطح تغذیه اشباع به وجود آمده در سطح خاک را شبیه‌سازی می‌کند .در بخش سوم به اعتبار سنجی مدل در شبیه‌سازی جبهه رطوبتی) شعاع و عمق خیس شدگی خاک (پرداخته شد .بدین منظور در دو بافت شنی و لوم رسی سیلتی و در دبی های‮‭۱۱/۰‬ ،‮‭۴۹/۰‬ ،‮‭۹۹/۰‬ ، ‮‭۵۱/۱‬ و ‮‭۰۵/۲‬ لیتر در ساعت موقعیت جبهه رطوبتی در زمان های مختلف توسط مدل عددی ارائه شده و نرم افزار هایدروس، تعیین و برای صحت‌سنجی با نتایج آزمایشگاهی در دسترس مورد مقایسه قرار گرفت .بررسی آماری نتایج نشان داد، مدل عددی ارائه شده دارای مقادیر پایین ‮‭RMSE‬ بوده و ‮‭EF‬مدل پیشنهادی نزدیک به یک می باشد که نشان دهنده کارایی بالای مدل ارائه شده نسبت به نرم افزار هایدروس می‌باشد .در بخش چهارم برای بررسی جامع و اعتبارسنجی مدل در شرایط متفاوت حاکم بر مشخصات فیزیکی خاک و در دبی‌های مختلف قطره‌چکان در سه حالت ‮‭۱‬ (تاثیر بافت خاک ‮‭۲‬ (تاثیر دبی قطره چکان ‮‭۳‬ (تاثیر رطوبت اولیه خاک، بر روی ابعاد جبهه رطوبتی، بررسی و نتایج مدل عددی تحقیق حاضر با نتایح نرم افزار هایدروس مقایسه گردید .بدین منظور در سه بافت خاک شنی، رسی و لوم سیلتی و در دبی های ‮‭۰/۵‬، ‮‭۱/۵‬، ‮‭۲‬ و ‮‭۴‬ لیتر بر ساعت نتایج استخراج گردید .در حالت اول، بررسی تاثیر بافت خاک بر روی پیاز رطوبتی، نتایج نشان داد که تطابق قابل قبولی بین نتایج مدل عددی پیشنهادی و نرم افزار هایدروس وجود دارد .در حالت دوم بررسی تاثیر دبی قطره چکان بر روی ابعاد پیاز رطوبتی کارآمدی مدل را در این شرایط نشان داد در حالت سوم در سه نوع بافت خاک سه نرخ کاهش‮‭۳۰‬ ، ‮‭۵۰‬ و ‮‭۷۰‬ رطوبت از میزان رطوبت ظرفیت مزرعه‌ای، برای شبیه‌سازی در همه خاک ها استفاده شد .مقایسه نتایج مدل ارائه شده با نتایج نرم افزار هایدروس نشان می‌دهد که این مدل توانایی شبیه سازی شرایط مختلف حاکم بر فیزیک خاک را دارد .در واقع می‌توان نتیجه گرفت این مدل حتی در شرایط عدم وجود آزمایشات میدانی جواب های معقول و قابل قبولی را ارائه میدهد و با توجه به تست های عددی و کارایی بالای مدل، در بازه بزرگی از دبی‌ها و بافت‌های خاک قابل استفاده می‌باشد .

یکانی‌مطلق، یاسر

اشرف صدرالدینی، سید علی، استاد راهنما

ناظمی، امیر حسین، استاد مشاور

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی