بخشی از مقاله
خلاصه
تحلیل هیدرولیکی شبکههای انتقال آب روباز به منظور تعیین عمق آب در نقاط مختلف و دبی عبوری از کانال ها، صورت میپذیرد. این تحلیل جهت بررسی عملکرد هیدرولیکی شبکههای طراحی شدهی جدید و بهینهسازی شبکههای موجود استفاده میشود. آنالیز هیدرولیکی شبکهی انتقال آب روباز شامل تعیین مقادیر دبی توزیعشده در هرکانال و عمق آب در اتصالهای شبکه میباشد، بهطوریکه معادلات پیوستگی جریان در اتصالها و افت انرژی در کانالهای موازی برابر گردند.
امروزه استفاده از الگوریتم فرا ابتکاری تبرید تدریجی در حل مسائل پیچیدهی مهندسی با توجه به قابلیتها و توانایی آن رو به افزایش نهاده است. هدف از انجام این تحقیق تحلیل هیدرولیکی شبکههای انتقال آب روباز براساس الگوریتم تبرید تدریجی و مقایسه نتایج حاصل از آن با روش حل همزمان میباشد. پس از بررسیها نتایج نشان داد، تحلیل هیدرولیکی مورد استفاده، با سرعت عمل بالا خروجیهای دقیق و قابل اطمینانی دارد، که این قابلیت امکان طراحی و تحلیل شبکههای گسترده را آسانتر مینماید.
-1 مقدمه
تحلیل هیدرولیکی شبکههای انتقال آب روباز جهت بررسی عملکرد هیدرولیکی شبکههای طراحی شدهی جدید و بهینهسازی شبکههای موجود استفاده میشود. تحلیل هیدرولیکی شبکههای انتقال آب روباز بهمنظور تعیین مقادیر دبی جریان یافته در کانالها و عمق آب در مقاطع مورد نظراست، بهطوری؛ که معادلات پیوستگی جریان در اتصالها و افت انرژی در کانالهای موازی برابر گردند.
پس از نوشتن معادلات فوق در شبکه، تمام یا برخی از معادلات به صورت غیرخطی ظاهر میگردند، که حل کلاسیک این معادلات به جز در حالت خیلی ساده شده ممکن نیست. به همین منظور بهرهگیری از روشهای عددی مبتنی بر حل انتگرالی معادلات جریان ضروری مینماید. این روشهای عددی عبارتند از: روش گام مستقیم1، روش گام استاندارد 2، روش گام واحد3، روش پیشبینی وتصحیح4 و روش حل همزمان.5که، در ادامه مختصراً به هر یک اشاره خواهد شد.
بهطور کلی در کانالهای روباز جریانی را یکنواخت می توان در نظر گرفت، که به طور کنترل شده، رابطهی مشخصی بین عمق و دبی جریان در آن وجود داشته باشد. در این صورت با استفاده از یکی از فرمولهای جریان یکنواخت1 نظیر فرمول شزی2 و مانینگ3 با معلوم بودن عمق آب در کانال، دبی جریان قابل محاسبه است. جریان یکنواخت تا زمانی برقرار خواهد بود، که مکانیزم کنترلکننده ی قویتری در مسیر جریان قرار نگیرد.
بنابراین در صورت وجود یا ایجاد سازههای کنترلکننده، جریان به صورت غیریکنواخت - متغیر - در خواهد آمد. اگر تغییر جریان به تدریج صورت گیرد، جریان را متغییر تدریجی4 و در صورتی که تغییر سریع و در طول کوتاهی از کانال انجام شود جریان را متغیر سریع5 میگویند. به دلیل کوچک بودن میزان تغییرات عمق جریان در جریانهای متغیر تدریجی، فرض توزیع هیدرواستاتیک فشار مجاز میباشد.
روش گام مستقیم :
اساس این روش بر معادلهی انرژی استوار است. که در کانالهای منشوری با مقاطع منظم یا نامنظم، بین دو مقطع دلخواه از جریان به کار می-رود. بدین معنی که با انتخاب دو عمق دلخواه، میتوان فاصله بین دو مقطع را به دست آورده نیمرخ سطح آب را ترسیم نمود.از معایب این روش آن است که: عمق جریان در محلهای مورد نظر و از قبل مشخص شده، بهدست نمیآید. بنابراین برای محاسبه عمق جریان در محلهای مشخص ممکن است نیاز به درونیابی باشد. بهطور مشابه چنانچه مشخصات مقطع عرضی فقط در محلهای مشخصی داده شده باشند، باید مقدار آنها تخمین زده شود، با توجه به این موضوع، علاوه بر نیاز به کار بیشتر، ممکن است نتایج دقیقی حاصل نشود. همچنین استفاده از این روش در کانالهای غیر منشوری دشوار است
- روش گام استاندارد:
این روش برای محاسبهی عمق جریان در موقعیتهای مشخص مکانی و یا در مواقعیکه تنها چند مقطع عرضی از کانال در محلهای معین وجود داشته باشد، استفاده میشود. این روش به تبعیت از چاو6 ، روش گام استاندارد نامیده میشود. برنامهی معروف HEC- 2که توسط مرکز مهندسی مهندسی هیدرولوژی گروه مهندسین ارتش آمریکا در سال 1982 تهیه شده است، بر پایهی این روش استوار است
روش گام واحد:
روشهای گام واحد درست شبیه روش گام مستقیم میباشد. در این روشها اساس کار انتگرالگیری از معادله دیفرانسیلی جریانهای متغیر تدریجی میباشد. با توجه به اینکه این معادله غیرخطی است، چندین روش عددی برای این منظور میتوانند مورد استفاده قرار گیرند . به عنوان مثال چند مورد از این روشها را به صورت زیر میتوان اشاره نمود.
روش اولر7، اولر اصلاح شده8 و رانگ کوتا-مرتبه چهارم.9 که در این روشها عمق نامعلوم در یک مقطع، به صورت تابعی در مجاورت نقاطی که در در آنها عمق جریان معلوم است یا در طی گام قبلی محاسبه شده است، بیان میگردد.
- روشهای پیشبینی و تصحیح:
در این روش که از انتگرالگیری بهره میبرد، در ابتدا با استفاده از اطلاعات گام قبل یک مقدار نامعلوم پیشبینی میشود. این مقدار پیش بینی شده در مرحله تصحیح دوباره با روند تکراری اصلاح میشود، تا حل کامل با دقت مورد نظر حاصل شود. در این روش مقدار تابع در چند نقطه محاسبه نمیشود، بلکه با حدسی برای عمق در ابتدا و سپس اصلاح مکرر آن، روند حل تا رسیدن به نتایج مطلوب ادامه مییابد.
- روش حل همزمان:
روشهای فوق برای یک کانال منفرد و یا سری مناسب میباشند. اما برای محاسبهی شرایط جریان در کانالهای موازی یا شبکهی کانالها باید از روش سعی و خطای دستی همراه با برنامههای کامپیوتری برای محاسبهی پروفیل سطح آب استفاده کرد، که این روش حل زمانبر بوده و در شبکهی کانالهای پیچیده، اگر غیرممکن نباشد، بسیار مشکل مینماید. میتوان با استفاده از روش حل همزمان، پروفیل سطح آب را در یک کانال و یا شبکهی کانالها محاسبه نمود. دستگاه معادلات غیرخطی با استفاده از روش تکراری نیوتن-رافسون10 حل شده و شرایط بهطور همزمان در کل شبکه محاسبه میشود. این روش هماکنون برای تحلیل شبکههای انتقال آب روباز به عنوان معیار تلقی میگردد
مجموعهی این محاسبات، تعیین پروفیل سطح آب1 نامیده میشود و شامل تعیین رقوم سطح آب در طول کانال برای دبی معین میباشد و در بسیاری از کاربردهای مهندسی لازم است تا شرایط جریان محاسبه شود. تراز سطح آب در طراحی، برنامهریزی و بهرهبرداری کانالهای باز مورد نیاز میباشد، تا بتوان تاثیر افزایش کارهای مهندسی و تغییرات در کانال روی تراز آب را مشخص کرد. در همین زمینه مطالعات مختلفی صورت پذیرفته که در زیر مختصراً به آنها اشاره میشود.
وایلی در سال1972 یک الگوریتم به منظور محاسبهی جریانات جزیرهای طراحی نمود.که در آن به منظور محاسبهی تلفات انرژی، تمامی طول دو کانال اطراف جزیره به عنوان یک کانال بدون انشعاب در نظر گرفته شد. در واقع در این روش کانال اصلی آنطور که در روش تفاضلهای محدود2 محدود2 به چند شاخه تقسیم میشود، تقسیم نشد. چادری و شولت مدلی را بر اساس تفاضلهای محدود در سال 1986، با یک سری از متغیرهای معمولی مانند عمق جریان و دبی برای تحلیل جریان ماندگار در سیستم کانالهای موازی3 ارائه کردند.
آنها روش خود را برای شبکههای حلقهای - 4 لوپ - در سال 1987 گسترش دادند. در این روش یک کانال به چند شاخه تقسیم میشود و معادلات پیوستگی و انرژی برای تمامی شاخهها، جهت محاسبات عمق و سرعت جریان در آنها حاکم است. سن وگرگ یک راه حل کارآمد را برای جریان ماندگار یک بعدی و جریان غیرماندگار در سیستم شبکهی کانال معمولی در سال 2002 ارائه دادند. در روش آنها تعداد معادلاتی که باید به طور همزمان در طی هر تکرار حل شود، فقط چهار برابر تعداد شاخههای یک شبکه است.
نکته قابل توجه در تحلیل جریان شبکههای انتقال آب روباز این است کهمعمولاً شبکهها را در حالت ماندگار5تحلیل میکنند. تحلیل در حالت حالت ماندگار را تحلیل استاتیکی6 مینامند، در حالیکه در تحلیل دینامیکی7، نوسانات زمانی مصرف بررسی میشوند. در تحلیل استاتیکی میزان مصرف در طول زمان ثابت در نظر گرفته میشود و میزان آبرسانی به شبکه ماندگار میباشد. مدلهای شبیهسازی هیدرولیکی شبکهها، ابزار توانمندی هستند که برای تعیین مشخصات هیدرولیکی سیستم انتقال آب روباز نظیر عمق آب در اتصالها، توزیع جریان درکانالها و ... به کار میروند
با توجه به آنچه گفته شد جهت تحلیل شبکههای انتقال آب روباز ناگزیر باید از روشهای تکراری برای حل مجموعه معادلات آنها استفاده کرد. بدیهی است در هر تکرار، حل معادلات تقریبی است و نیاز به تصحیح دارند. از این رو تکرار محاسبات تا رسیدن به دقت مطلوب ادامه خواهد؛ یافت. با این وجود تاکنون روشی مبتنی بر روش الگوریتم فرا ابتکاری8 هوشمند ، در تحلیل هیدرولیکی شبکههای انتقال روباز ارائه نشده است.
- الگوریتم فرا ابتکاری تبرید تدریجی9
الگوریتم تبرید تدریجی یا شبیهسازی حرارتی، یکی از مجموعه الگوریتمهای فرا ابتکاری معروف در زمینه الگوریتمهای هوش مصنوعی10 است. این الگوریتم در سال 1983 و توسط اسکات کرک پاتریک11 ودانیل جلت12 ابداع شدهاست.اصولاَ اکثر الگوریتمهای فرا ابتکاری با الگوگیری و شبیهسازی یکی از قوانین یا روابط موجود در طبیعت بنا نهاده میشوند. این الگوریتم هم بر مبنای فرآیند تبرید یا بازپخت فلزات بنا نهاده شده است.
در فرآیند تبرید، ابتدا حرارت فلزات را تا دمای بسیار بالایی افزایش داده و سپس یک فرآیند سردسازی و کاهش دمای تدریجی بر روی آنها صورت میگیرد. در این فرآیند در هنگام افزایش حرارت فلز، سرعت جنبش اتمهای آن به شدت افزایش یافته و در مرحله بعد، کاهش تدریجی دما موجب شکلگیری الگوهای خاصی در جایگیری اتمهای آن میشود. این تغییر الگوی اتمها باعث بروز خواص ارزشمندی در فلز تبرید شده میگردد، که از جمله میتوان به افزایش استحکام آن اشاره نمود
امروزه استفاده از این روش در حل مسائل پیچیده ی مهندسی با توجه به قابلیتها و توانایی آن رو به افزایش نهاده است. هدف از انجام این تحقیق تحلیل هیدرولیکی شبکههای انتقال آب روباز براساس الگوریتم تبرید تدریجی و مقایسهی نتایج حاصل از آن با روش حل همزمان و نیز بررسی محاسن و معایب آن میباشد.
