سازه ی ریزشی گردابی به منظور انتقال جریان از رقوم بالاتر به رقوم پایین تر به کار می رود. استهلاک انرژی جریان از وظایف عمده ی این سازه ها می باشد. در تحقیق حاضر مدل فیزیکی سازه ریزشی گردابی فاضلاب شرق تهران (ایران) مورد بررسی قرار گرفت و میزان تاثیر پارامترهای عدد فرود جریان ورودی، شیب کف سازه ورودی و نسبت عمق چاهک به قطر شفت قائم در میزان استهلاک انرژی جریان بررسی گردید. این مطالعه با عدد فرود جریان ورودی برابر 79/1، 01/2، 18/2 و 31/2 و شیب کف سازه ورودی 251/0، 4/0 و 571/0 و نسبت عمق چاهک به قطر شفت قائم برابر 0، 1 و 2 انجام شد. به همین منظور 36 حالت آزمایش طراحی گردید. برای افزایش دقت و آنالیز نتایج، هر آزمایش 3 بار تکرار شد. در نتیجه تعداد کل آزمایش ها، 108 آزمایش می باشد. نتایج نشان داد با تغییر پارامترها، انرژی جریان بین 7/93 تا 5/98 درصد مستهلک می گردد. با افزایش عدد فرود جریان ورودی و نسبت عمق چاهک به قطر شفت قائم میزان استهلاک انرژی به ترتیب 2/2 و 3 درصد کاهش می یابد. همچنین با افزایش شیب کف سازه ورودی میزان استهلاک انرژی جریان 4/2 درصد افزایش می یابد. با بررسی اثر متقابل استهلاک انرژی جریان و عدد فرود جریان خروجی، نسبت عمق چاهک به قطر شفت قائم مناسب بین 3/0 تا 2/1 پیشنهاد گردید. علاوه براین با استفاده از تحلیل واریانس رابطه ای غیر خطی برای تخمین میزان استهلاک انرژی جریان ارائه شد.

یکی از نیازهای اساسی در سیستم های جمع آوری فاضلاب و زهکشی شهری، اتصال مجاری کم عمق به تونل های زیرزمینی عمیق است. این اتصال به طور معمول از طریق سازه ریزشی گردابی برقرار می شود. در این سازه و برای تشکیل جریان گردابی، علاوه بر جلوگیری از سقوط سیال بخش قابل توجهی از انرژی آن به واسطه اصطکاک جداره ها تلف می شود. در این پژوهش، با ساخت مدل فیزیکی سازه، هد انرژی باقیمانده در آن (نسبت انرژی مخصوص در خروجی به انرژی مخصوص در ورودی سازه، E2/E1) بررسی شد. با استفاده از آنالیز ابعادی عوامل بدون بعد عدد فرود جریان (Fr)، نسبت ارتفاع کل ریزش به قطر شفت (L ⁄ D) و نسبت عمق چاهک به قطر شفت (Hs ⁄ D) به عنوان عوامل موثر بر هد انرژی باقیمانده در سازه معرفی شدند. با استفاده از داده های آزمایشگاهی، دقت و توانایی روش فاکتوریل کامل برای توصیف باقیمانده انرژی جریان در سازه تایید شد. نتایج نشان داد که هد انرژی باقیمانده برای عدد فرود متناظر با دبی طراحی (Fr=2. 18) بیشترین نزدیکی را به مقدار حدی 1 دارد. از طرفی برای کلیه سطوح عامل L/D مقدار هد انرژی باقیمانده به مقدار حدی 1 نزدیک هستند. همچنین به ازای مقدار Hs/D بین 1 تا 2 شاهد کمترین اختلاف مقدار هد انرژی باقیمانده با مقدار حدی 1 هستیم، بنابراین می توان این محدوده را مناسب طراحی چاهک دانست. علاوه بر این معادله ای غیرخطی به صورت تابعی از Fr، L ⁄ D و Hs ⁄ D برای تخمین هد انرژی باقیمانده در سازه ریزشی گردابی با استفاده از آنالیز رگرسیون ارایه شد.

بررسی پدیده آب شستگی پایین دست جت ریزشی پیچیده است و عوامل متعدد از جمله مشخصات جریان و رسوب و هم چنین هندسه مجرای عبور جریان بر آن تاثیر گذار است. در تحقیق حاضر، مدل سازی عددی آب شستگی ناشی از جت ریزشی از یک نمونه آزمایشگاهی، توسط نرم افزار SSIIM2 صورت گرفته است. مقدار زبری، مدل انتقال رسوب و مدل آشفتگی با استفاده از آزمون های ضریب تعیین و میانگین قدرمطلق خطا واسنجی گردیده است. نتایج مدل سازی عددی نشان داد که با افزایش عدد فرود جریان، عدد فرود مصالح و ارتفاع ریزش، عمق آب شستگی افزایش می یابد.

سرریز پلکانی از جمله سازه های تخلیه کننده سیلاب ورودی به سد می باشد که جریان عبوری از آن با استهلاک انرژی نیز همراه می باشد. این سازه متشکل از پله هایی است که از نزدیکی تاج سرریز شروع شده و تا پاشنه ادامه یافته و در ثابت ماندن عمق آب و سرعت جریان در طول سرریز، برقراری استهلاک طولی انرژی و تاثیرگذاری بر مشخصات جریان و پایاب سرریز بسیار موثر می باشند. در سرریزهای پلکانی، جریان به سه نوع ریزشی، انتقالی و رویه ای قابل تفکیک است. تاکنون بر اساس روابط تحلیلی و آزمایشگاهی، مطالعات اندکی جهت بررسی شرایط و طبیعت پیچیده جریان ریزشی انجام شده و مطالعات آزمایشگاهی مبتنی بر مدل سازی فیزیکی نیز محدود می باشد. بنابراین روابط محدودی نیز در زمینه جریان ریزشی در این سرریزها ارائه شده است. در تحقیق حاضر آزمایش هایی بر روی سه مدل هیدرولیکی سرریز پلکانی بزرگ مقیاس سدهای سیاه بیشه بالا، سیاه بیشه پایین و سد ژاوه در شش شیب متفاوت انجام گرفت و به ازای 24 دبی جریان، اندازه گیری عمق آب، سرعت جریان و فشار استاتیکی بر روی 40 مقطع مختلف در طول سرریز انجام شد. تجزیه و تحلیل پارامترهای موثر بر استهلاک انرژی بر اساس این اطلاعات انجام و تاثیر شرایط هیدرولیکی و هندسی سرریز بر محدوده وقوع جریان ریزشی مورد ارزیابی قرار گرفت و رابطه ای برای محاسبه استهلاک نسبی انرژی در شرایط جریان ریزشی پیشنهاد شد. نتایج تحقیق نشان داد که مهم ترین پارامتر تاثیرگذار در پیش بینی استهلاک انرژی، پارامتر بی بعد عمق بحرانی به ارتفاع سرریز می باشد که افزایش آن باعث کاهش استهلاک انرژی نسبی در رژیم ریزشی می شود.

یک سرریز پلکانی شامل تعدادی آبشار عمودی متوالی است که از نزدیک تاج در بالا دست تا حوضچه آرامش در پایین دست ادامه دارند. جریان آب از روی سریز پلکانی می تواند دارای دو نوع رژیم ریزشی وغیر ریزشی باشد. رژیم جریان ریزشی در دبی های کم اتفاق می افتد و در صورت طراحی سرریز با شیب ملایم می توان انتظار وقوع رژیم جریان ریزشی به همراه تشکیل پرش هیدرولیکی ناقص و یا کامل روی هر پلکان را داشت. در این پژوهش تاکید بر ارزیابی میزان افت انرژی جریان با رژیم ریزشی و تشکیل پرش هیدرولیکی کامل روی سطوح افقی هر یک از پلکان ها است. برای این منظور، دو نوع افت انرژی در رژیم جریان ریزشی معرفی شده و رابطه نهایی افت انرژی کل به صورت پارامترهای بی بعد ارایه گردیده است. برای سنجش دقت رابطه ارایه شده در تعیین افقت انرژی برای رژیم جریان ریزشی، آزمایش هایی روی سرریزهای پلکانی با شیب های 25 و 15 درجه انجام گردید. مقایسه نتایج آزمایش های انجام شده در این پژوهش با محققان قبلی نشان می دهد که رابطه مذکور تا حدودی توانسته است با نتایج آزمایش ها تطابق داشته باشد. انتظار می رود برای سرریزهای با شیب کمتر از 15 درجه تطابق مذکور مناسب تر گردد.

پیش بینی آبشستگی و تخمین مشخصات حفره آبشستگی ناشی از جت های خروجی از سازه های هیدرولیکی یکی از موضوعات مهم در مهندسی هیدرولیک است. پارامترهای متعددی نظیر دبی جریان، ارتفاع ریزش جریان، عمق پایاب، قطر ذرات رسوب، دبی رسوب و زمان بر ابعاد حفره آبشستگی ایجاد شده در پایین دست جت های ریزشی موثر هستند. در این تحقیق به بررسی آبشستگی ناشی از جت ریزشی و حاوی رسوب پرداخته شده است. برای انجام آزمایش ها از فلومی به طول 12 متر و عرض 6/0 متر که در انتها به عرض 21/0 متر کاهش یافته، استفاده شد. آزمایش ها با چهار دبی مختلف 4. 27، 7. 48، 11. 78 و 17. 31 لیتر بر ثانیه و دو قطر رسوب 0. 6 و 1. 2 میلیمتر انجام شد. تغییرات زمانی عمق و طول حفره آبشستگی اندازه گیری و تحلیل شد. براساس نتایج، با افزایش دبی رسوب مقدار حداکثر عمق و طول حفره آبشستگی کاهش می یابد. مقدار این کاهش نیز به میزان دبی رسوب در جت، دبی جریان و زمان آزمایش بستگی دارد. اثر پارامترهای بدون بعد بر روی عمق و طول حفره آبشستگی مورد بررسی قرار گرفت و روابطی برای محاسبه آنها ارایه شد.

جریان آب ورودی از روی سدها دارای انرژی زیادی است که در صورت عدم اتلاف این انرژی، جریان آب عبوری می تواند خسارات جبران ناپذیری را به سد و سازه های پایین دست آن وارد کند. یکی از راه های اتلاف این انرژی اضافی، خروج آب به صورت جت های ریزشی به حوضچه های استغراق است. جت های آب ریزشی اغلب باعث فرسایش و آبشستگی پایین دست سازه می شوند و به تکیه گاه ها و به کانال پایین دست رودخانه تاثیر می گذارند. در تحقیق حاضر به بررسی عددی و آزمایشگاهی خط مسیر جریان خروجی از جت های ریزشی آزاد پرداخته شد. برای شبیه سازی عددی از نرم افزار انسیس فلوئنت استفاده شد و کار آزمایشگاهی در آزمایشگاه هیدرولیک انجام گرفت. نتایج نشان داد که برد جت ریزشی آزاد در کار آزمایشگاهی کمتر از مقدار محاسبه شده آن با استفاده از روابط پرتابه  و نمونه شبیه سازی شده با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت به دلیل مقاومت هوا می باشد. به ترتیب معادلات پرتابه و مسیر شبیه سازی شده در نرم افزار انسیس فلوئنت به طور متوسط خطای 20/6 و 25/5 درصدی نسبت به داده های آزمایشگاهی دارند. از آنجایی که هیچ یک از معادلات ارائه شده برای محاسبه مسیر جت های ریزشی با استفاده از نتایج آزمایشگاهی به دست نیامده اند و مقاومت هوا را در نظر نگرفته اند، لذا در محاسبه مسیر حرکت جت ریزشی دارای خطا هستند. برای  رفع این خطا، در تحقیق حاضر دو معادله برای محاسبه مسیر حرکت جت ریزشی آزاد ارائه شده است که به ترتیب دارای خطای نسبی 3/02 و 9/14 درصدی می باشند. این روابط، خطای محاسبه مسیر حرکت جت ریزشی آزاد را به صورت قابل ملاحظه ای کاهش می دهند. نتایج نشان داد که با کاهش عرض مقطع خروجی جت ریزشی آزاد و افزایش بار آبی گذرنده از روی سرریز سد، جت ریزشی آزاد در فاصله دورتری از بدنه سد به زمین می رسد. همچنین نتایج شبیه سازی نشان داد که سرعت جریان آب با افزایش 247 درصدی نسبت به سرعت در انتهای تاج سرریز سد، به زمین برخورد می کند که مستلزم توجه بیشتر در طراحی حوضچه های آرامش در انتهای سدها می باشد.

یکی از ‏مهمترین عواملی است که می تواند باعث آسیب یا کاهش کارایی سازه های هیدرولیکی گردد، آبشستگی می باشد. بیشتر پژوهش ها در گذشته بر رسوبات غیرچسبنده متمرکز شده اند. اما از آنجا که بیشتر رسوبات موجود در طبیعت دارای خاصیت چسبندگی می باشند، در پژوهش حاضر این دسته از رسوبات مورد آزمایش قرار گرفته اند. آزمایش ها با استفاده از ‏جت های افقی، مایل و قائم با قطر نازل ‏10، 15، 20 و 25 میلیمتر، تحت 3 ‏عمق پایاب 5، 10 و 15 سانتیمتری، 3 ارتفاع ریزش 20، 50 و 60 سانتیمتری و اعداد فرود 3، 5، 7 و 9 انجام شد.‏ رسوبات چسبنده، از ترکیب ماسه ریزدانه با رس به میزان 20 درصد وزنی کل مصالح، آماده و استفاده شد. پس از حصول تعادل در آزمایش ها، نیمرخ های نهایی آبشستگی توسط متر لیزری برداشت گردید. نتایج نشان داد که افزایش نسبت عمق پایاب به ارتفاع ریزش (Yt/H)، اثر دو گانه بر بیشینه عمق آبشستگی نسبی دارد. طوری که بیشینه عمق آبشستگی نسبی با افزایش Yt/H، ابتدا افزایش یافته، برای جت افقی به حدود 3/0 و برای جت عمودی به حدود 35/0 می رسد، سپس روند تغییرات آن معکوس می شود و با افزایش نسبت Yt/H میزان آبشستگی نسبی کاهش می یابد. علاوه براین افزایش عدد فرود، باعث افزایش میزان آبشستگی می شود. همچنین میزان آبشستگی در دو زاویه جت 0 و 30 درجه نسبت به افق، بسیار نزدیک به هم هستند. در زوایای بزرگتر، به غیر از زاویه 90 درجه، با بیشتر شدن زاویه جت، عمق آبشستگی افزایش می یابد. جت با زاویه 45 درجه بیشترین عمق آبشستگی را ایجاد می کند.