آسیب های ناشی از خلأزایی یکی از عوامل تخریب سازه های هیدرولیکی می باشد، که سرریز سد شهید عباسپور (کارون 1) از جمله مهمترین موارد آن است. از عوامل مهم شکل گیری خلأزایی، می توان به ناهمواری های سطحی اشاره کرد، که در سرعت های زیاد سبب افت فشار موضعی جریان شده و موجب تشکیل حباب می شوند. حباب ها با هدایت به محدودۀ با فشار زیاد، توسط جریان، منفجر شده و باعث وارد آمدن ضربه و صدمه به سطح جدارۀ جریان می شوند. برای طراحان، یکی از نیاز های مهم، پیش بینی آستانه شکل گیری خلأزایی، بمنظور تعیین و انجام تمهیداتی در راستای جلوگیری و یا کاهش احتمال وقوع این پدیده است. برای بررسی پدیده خلأزایی در سازه های هیدرولیکی، تاکنون مطالعات بیشتر به صورت آزمایشگاهی انجام شده است. روش های آزمایشگاهی توسط بکارگیری تونل های خلأزایی و ساخت مدل های فیزیکی می باشند و هزینه های بسیار زیادی را به طراحان تحمیل می نمایند. همچنین با توجه به تحت فشار عمل کردن تونل های خلأزایی، می توان گفت نتایج آزمایشگاهی مطالعات خلأزایی در مورد مجاری بسته صادق هستند و با توجه به اهمیت پدیده خلأزایی و خرابی های ناشی از وقوع آن، درستی بکارگیری این نتایج در مورد جریان در سازه های هیدرولیکی که اغلب روباز هستند، قطعاً نیاز به بررسی دارد. از طرفی هر نوع سازه هیدرولیکی در جریان های با سرعت بالا مثل سرریزهای شوت و پلکانی در معرض خلأزایی قرار داشته و نیاز به بررسی آستانه وقوع خلأزائی دارند. برای مطالعه فیزیکی پدیده خلأزایی در این سازه ها می توان از اتاق های خلأ استفاده کرد که این تأسیسات نیز بسیار گران قیمت می باشند.  لذا با توجه به پیشرفت های اخیر در سرعت محاسباتی رایانه ها، می توان از مدل ها و روش های عددی برای شبیه سازی جریان های خلأزایی استفاده کرد. در مقایسه با هزینه راه اندازی تونل ها و اتاق های خلأزایی عظیم، روش های محاسباتی می توانند راه حل هایی ارزان و بهینه ارائه دهند. تاکنون مدل های مختلفی (شامل دو گروه مدل های تراکم ناپذیر و تراکم پذیر) در زمینه شبیه سازی و بررسی امکان وقوع خلأزایی منتشر شده است. اما تاکنون مطالعه جامعی بر روی شبیه سازی عددی خلأزایی انجام نشده است. بنابراین با توجه به عدم انجام مطالعه عددی جریان های مستعد خلأزایی و تعیین آستانه وقوع خلأزایی، رساله حاضر تعریف شده است. در این رساله ابتدا روش ها و مدل های موجود با استفاده از کُد منبع باز OpenFoam، بررسی و ضرایب تجربی موجود در آن ها با انجام شبیه سازی های متعدد کالیبره گردیدند. در مطالعه حاضر از بین مدل های خلأزایی، مدل های مرکل، کانز و شِنِر و سآور با توجه به دارا بودن انعطاف پذیری مناسب با ثابت ها و نیز تعداد کمتر ضرایب تجربی بکاررفته در آن ها و پایداری و همگرایی سریع تر نسبت به سایر مدل ها، انتخاب و کاربرد آن ها در زمینه شبیه سازی جریان های خلأزایی بررسی گردید. با مقایسه نتایج شبیه سازی های عددی، مدل خلأزایی کانز و مدل آشفتگی Realizable k-ε با توجه به عملکرد قابل قبول در شبیه سازی جریان خلأزایی، برای انجام شبیه سازی های عددی انتخاب گردیدند. سپس با استفاده از این مدل آستانه وقوع خلأزایی در ناهمواری های سطحی با هندسه مختلف تعیین و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردیدند. نتایج حاکی از قابل قبول بودن دقت شبیه سازی عددی بوده و با بررسی انجام شده، مشخص گردید که پارامتر ارتفاع نسبی (نسبت ارتفاع ناهمواری به ضخامت لایه مرزی)، پارامتری مهم و تأثیرگذار بر عدد آستانه وقوع خلأزایی است. سپس جریان خلأزایی برروی سطوحی نظیر شیار دریچه ها، سطح ناهموار پلکانی (مشابه سرریز پلکانی) و سطح ناهموار مشابه سطح بتن سرریز شوت شبیه سازی شد، که در این موارد نیز عملکرد مدل عددی قابل قبول ارزیابی گردید.

با توجه به پیچیدگی شبیه سازی فیزیکی جریان خلأزایی با سطح آزاد و نبود اطلاعات در این زمینه، ابتدا توسعه روش و مدل عددی بمنظور شبیه سازی جریان های سطح آزاد در کنار خلأزایی که در کد مورد مطالعه Openfoam وجود نداشت، مورد مطالعه قرار گرفت و سپس این روش توسعه یافته و برروی کُد منبع باز، اعمال گردید. مدل توسعه یافته سطح آزاد برروی یک پله و سطح ناهموار مشابه سطح بتن سرریز شوت بررسی و عملکرد آن قابل قبول ارزیابی شد. نتایج شبیه سازی ها نیز بیانگر آن است که با افزایش نسبت ارتفاع مانع به ارتفاع آب، در نظر گرفتن سطح آزاد، عدد آستانه وقوع خلأزایی را کاهش و در نتیجه خلأزایی در سرعت های بیشتری رخ می دهد. در انتها نیز امکان وقوع خلأزایی در سرریز سد شهید عباسپور مورد بررسی قرار گرفت. مدل توسعه یافته حاصل از مطالعات حاضر را می توان برای پیش بینی امکان خلأزایی در مجاری باز و بسته برای مطالعه سازه های هیدرولیکی بکار برد.