بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق با استفاده از نتایج مطالعات آزمایشگاهی نویی و اومین - 2011 - و بکارگیری روش های فرا ابتکاری نسبت به تخمین ضریب تخلیه جریان در سرریزهای کلید پیانویی اقدام شده است. مشاهدات آزمایشگاهی از یک کانال مستطیلی به عرض 3 متر و طول 3 متر استخراج شده است. در طی این مراحل ده مدل سرریز مورد آزمون قرار گرفته است و در طی هر یک از سناریو ها پارامترهای هندسی از جمله طول موثر، عرض سیکل های سرریز، تعداد سیکل و میزان پیش آمدگی تغییر یافته و تحت شرایط هیدرولیکی مختلف مورد آزمایش قرار داده شده اند.
لذا با توجه به تنوع تغییرات بوجود آمده در هندسه سرریز، نتایج مورد استفاده در این تحقیق از طیف گسترده ای از تغییرات برخوردار است. سپس با استفاده از تئوری باکینگهام و رگرسیون غیر خطی معادلهی حاکم بر فضای تحقیق تعیین گردید. به دلیل پیچیدگی هندسی سرریزهای کلید پیانویی ضریب دبی این سرریزها وابسته به پارامترهای متعددی است
بنابراین در بخش دوم تحقیق با استفاده از الگوریتم رگرسیون نزدیکترین همسایگی دقت این الگوریتم در تخمین ضریب تخلیه ی جریان از سرریزهای کلید پیانویی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که استفاده از تابع فاصله سنجی اقلیدسی در الگوریتم نزدیک ترین همسایگی می تواند نتایج مطلوبی در مقایسه با رگرسیون غیر خطی در برداشته باشد.
1. مقدمه
سرریزها از جمله سازههای هیدرولیکی سدها هستند که امکان تخلیه سیلاب را از مخزن سد به رودخانه پایین دست آن فراهم میآورند. در سالهای اخیر، نگرانی در ارتباط با خطرات سیلاب و انتظار جامعه انسانی برای ایمنی بیشتر در برابر سیلاب و همچنین بازنگری مطالعات هیدرولوژیکی، موجب شده که سدهای موجود مورد بازنگری قرار گرفته و نیاز به سرریزی با قابلیت اعتماد بیشتر در نظر گرفته شود. از لحاظ ایمنی کاربرد سرریزهای آزاد نسبت به سرریزهای دریچه دار ارجحیت داشته و در مواردی که فضای کافی برای احداث آنها وجود نداشته باشد، میتوان از انواع سرریزهایی که طول آنها بیشتر میباشد استفاده نمود.
سرریزهای کلید پیانویی که به تازگی گسترش یافتهاند، حاصل تغییری در سرریزهای چند وجهی معمول می باشند که در پلان دارای شکل مستطیلی هستند. نمونهای از این نوع سرریزها در شکل - 1 - نشان داده شده است. برخلاف سرریز چند وجهی، در این نوع سرریز زاویه راس قائم نیست بلکه هم در جهت بالادست و هم در جهت پایین دست تغییر شیب دارد.
علاوه بر بهبود عملکرد هیدرولیکی، سرریز کلید پیانویی دارای این مزیت است که میتواند حتیدر یک ساختگاه بسیار محدود، مثلاً در تاج سدهای بتنی وزنی، نیز به آسانی اجرا شود. به همین دلیل است که سرریزهای کلید پیانویی راه حل اقتصادی و مؤثر برای افزایش ظرفیت تخلیه سیل در سدهای بتنی وزنی موجود را فراهم می آورند. در مواردی که، محل احداث سازههای کنترل دبی تخلیه محدود باشد، افزایش طول سرریز می تواند توسط سرریز کلید پیانویی با ایجاد برآمدگی در کلیدهای بالادست و پایین دست آن تامین شود.
سرریزهای کلید پیانویی میتوانند به صورت مستقیم بر روی تاج سدها قرار داده شوند که آنها را به ابزاری سودمند برای نوسازی سدها تبدیل مینمایند. سرریزهای کلید پیانویی از آن جهت که به ازای ارتفاع آب یکسان، دبی تخلیه را تا 4 برابر دبی تخلیه سرریزهای اوجی افزایش میدهند ،مورد توجه قرار گرفته اند. این سرریز در ابتدا توسط اومین و لمپییر در سال 2003 پیشنهاد شد، و اولین بار در سال - 2006 - بر روی سدگلورز در فرانسه نصب شد. ملاکهای طراحی اولیه بر مبنای آزمایشات تجربی توسط اومین و لمپییر [4] در دانشگاه بیشکارا انجام شد وتحقیقات سیستماتیک تکمیلی توسط کیکرو وهمکاران [5] در آزمایشگاه بین المللی هیدرولیک در فرانسه انجام شد.
شکل -1 سرریز کلید پیانویی سد گلوریتز[3] شکل -2 پارامترهای موثر در سرریز کلید پیانویی
ابتدا دو نوع سرریز کلید پیانویی نوعA و نوع B توسط اومین و لمپیر معرفی شد. آنها در سال 2006 مطالعات خود را بر روی پارامترهای بدون بعد گسترش دادند. نتایج بیانگر ارتباط بین طول تاج L و عرض تاج W بود. لمپییر و همکاران [5] انواع مختلف سرریزهای کلید پیانویی که از سال 1998 توسط موسسه هیدروکوپ1مورد مطالعه قرار گرفته بودند را خلاصه کردند. آنها سرریزهای کلید پیانویی را براساس وجود و یا عدم وجود پیش آمدگی به چهار نوع متفاوت طبقه بندی کردند.که در تقسیم بندی آنها در مدل A، هم پیش آمدگی بالادست و هم پیش آمدگی پایین دست وجود دارد. در مدل B وC فقط یکی از پیش آمدگی های بالادست یا پایین دست وجود دارد و مدل D فقط شامل انتهای مایل بوده و هیچ گونه پیش آمدگی ندارد.
بارکودا و همکاران[6] ، هاین و همکاران [7]، لمپییر و اومین [4] ، لمپییر و اومین [8] ، اندرسون و تالیس [9] ، لگییر و همکاران [10] ، ماچیلز و همکاران [11] و پرالنگ و همکاران [12] به این نتیجه رسیدند که برای بارهای آبی کم، زیاد کردن تعداد دهانههای سرریز باعث افزایش کارایی آن خواهد شد. نتایج آزمایش هاین وهمکاران[7] نشان داد که تعداد 7 دهانه برای بارهای آبی کم و5 تا 6 دهانه برای بارهای آبی زیاد، منجر به افزایش ضریب دبی میشود. اومین و لمپیریر[8] ، هاین و همکاران [7] و بارکودا و همکاران [13] نشان دادند که اگر دهانه ورودی بزرگتر از دهانه خروجی در نظر گرفته شود، باعث افزایش دبی عبوری از سرریز خواهد شد.
لمپیریر و اومین [8] با بررسی تیپهای مختلف، با تعداد سیکلهای متفاوت و با مقایسه نسبت پیشآمدگی جلو به پیشآمدگی عقب - Bi/Bo - ، به این نتیجه رسیدند که راندمان هیدرولیکی برای سرریزی با مقدار Bi/Bo =0 - تیپ - B، 12 درصد و Bi/Bo = 1 - تیپ - A، 7 درصد بیشتر از سرریزی با نسبت Bi/Bo = 2 است. البته این نتیجه برای برای نسبت بار آبی به ارتفاع سرریز Ht/P کوچکتر از 4 معتبر است. آنها همچنین به این نتیجه رسیدند که برای نسبت بار آبی به ارتفاع سرریزهای کوچک، n=8/5 راندمان هیدرولیکی بالاتری دارد. اما برای نسبت بار آبی به ارتفاع سرریزهای بزرگتر مقادیر n بزرگتر، تأثیر چشمگیری بر راندمان هیدرولیکی سرریز ندارد. همچنین آنها با ثابت نگهداشتن همه پارامترها به غیر از ارتفاع - و در نتیجه شیب - دریافتندکه افزایش 24 درصدی ارتفاع منجر به افزایش 6 درصدی راندمان میشود. ریبریو و همکاران[14] با استفاده از رابطه عمومی سرریزها، ضریب دبی زیر را برای سرریزهای کلید پیانویی ارائه نمودند:
2. روش تحقیق
در این تحقیق از نتایج آزمایشگاهی جهت تعیین ضریب دبی سرریزهای کلید پیانویی استفاده شده است. برای این منظور از نتایج مطالعات آزمایشگاهی نویی و اومین [15] بهره گیری شده است. آزمایشها بر روی ده مدل مختلف سرریز کلید پیانویی با تغییر در طول مؤثر، عرض سیکلها، تعداد سیکل و پیش آمدگیهای مختلف به اجرا در آمده است. در مطالعات نویی و اومین از کانال مستطیلی به عرض 3 متر، طول 3 متر با عمق 1/1 استفاده شده است. شکل - - 2 طرح شماتیک سیستم آزمایشگاهی مورد استفاده در تحقیقات مذکور را نشان میدهد.
شکل -3 شماتیک سیستم آزمایشگاهی نویی و اومین
در سرریزهای مستطیلی لبهتیز میزان دبی عبوری از رابطه - 2 - بدشت می آید:
که در آن Q مقدار دبی عبوری، Cd ضریب تخلیه جریان، g شتاب ثقل، L طول سرریز و Ht ارتفاع آب در بالادست سرریز می باشد. می توان فرض کرد که ضریب دبی سرریزهای کلیدپیانویی از رابطه عمومی سرریزها بدست میآید، بنابراین می توان نوشت :
در رابطه - 3 - پارامتر B عرض کانال میباشد. به دلیل پیچیدگی هندسی سرریزهای کلید پیانویی ضریب دبی این سرریزها وابسته به پارامترهای متعددی است. ضریب دبی سرریز کلید پیانویی را میتوان تابعی از هد آب بالادست H ، L طول مؤثر سرریز، ارتفاع سرریز P، عرض سرریز W، عرض دهانه ورودی Wi، عرض دهانه خروجی Wo، ارتفاع آب روی تاج بالا دست H1، ارتفاع آب روی تاج پایین دست H2، لزجت دینامیکی و کشش سطحی دانست. پس می توان ضریب دبی این سرریز را به صورت زیر نشان داد:
با توجه به اینکه عمق آب روی تاج بالادست و پایین دست تابعی از عمق آب در بالادست سرریز H میباشند، بنابراین از معادله 4 حذف میشوند .با به کارگیری آنالیز ابعادی، ضریب دبی را میتوان بر اساس پارامترهای بی بعد به صورت رابطه - 5 - نشان داد
