بخشی از مقاله
خلاصه
تمهیدات گوناگونی جهت کاهش اثرات مخرب عبور جریان آب از روی سرریزها وجود دارد که یکی از این موارد استفاده از سرریزهای پلکانی میباشد. به دلیل اهمیت سرریزهای پلکانی در استهلاک انرژی، توجه به این نوع سرریزها در دهههای اخیر افزایش یافته است. در این تحقیق عرض و ارتفاع پلهها و همچنین شیب و ارتفاع سرریز به عنوان پارامتر متغیر در نظر گرفته شد و سعی گردید روشی جامع برای طراحی بهینه سرریزهای پلکانی ارائه شود. بدین منظور جهت بهینه سازی متغیرها با استفاده از الگوریتم ژنتیک، برنامهای در محیط برنامه نویسی Matlab نوشته شد.
یک سرریز پلکانی با ابعاد بهینه، به جای سرریز صاف سد مخزنی ساروق واقع در استان آذربایجان غربی پیشنهاد گردید. نتایج بهینه سازی نشان داد که سرریز پلکانی جایگزین شده، منجر به افزایش استهلاک انرژی، حذف و یا کاهش ابعاد مستهلک کننده انرژی در پایین دست سرریز پلکانی می-گردد. همچنین به ازای دبی ثابت و شیبهای مختلف، تغییرات ارتفاع بهینه پلهها نامحسوس بوده و به ازای شیبهای ثابت، افزایش دبی جریان منجر به کاهش استهلاک نسبی انرژی و افزایش ارتفاع بهینه پلهها میشود.
1. مقدمه
سرریز پلکانی متشکل از پلههایی است که از نزدیکی تاج سرریز شروع شده و تا پایین دست سرریز ادامه دارد. استهلاک بالای انرژی از جمله مهمترین ویژگی این نوع سرریز به شمار می رود، به طوریکه بخش عظیمی از انرژی جنبشی جریان حین عبور آب از روی پلههای متوالی به پایین دست سرریز کاهش می یابد. با احداث سرریز های پلکانی نیازی به استفاده از سازههای مستهلک کننده انرژی در پایین دست سرریز نبوده و یا اینکه منجر به کاهش ابعاد این سازه می گردد، که این خود کاهش هزینه های مربوط به ساخت و بهره برداری سرریز و سازه های مستهلک کننده انرژی در پایین دست سرریز را به دنبال دارد.
با توجه به اهمیت روز افزون این سرریزها تحقیقات و مطالعات فراوانی در رابطه با هیدرولیک جریان و عوامل موثر بر استهلاک انرژی در سرریزهای پلکانی صورت پذیرفته است. تحقیقات انجام گرفته مبتنی برآزمایشات هیدرولیکی بر روی مدلهای فیزیکی بوده و یا عملکرد هیدرولیکی جریان بر روی این سرریز توسط روشهای عددی شبیه سازی شده است.
هیدرولیک جریان در سرریزهای پلکانی سه نوع می باشد - راجاراتنام،1990و چانسون،: - 1994
-1 جریان ریزشی: این نوع جریان در دبی های کم و ارتفاع پله های بزرگ ایجاد می شود. استهلاک انرژی بر اثر اختلاط جت جریان با هوا، تلاطم جریان روی هر پله و تشکیل پرش هیدرولیکی کامل یا ناقص روی هر پله ایجاد می شود.
-2 جریان غیر ریزشی یا شبه صاف: در این نوع جریان یک بستر کاذب1 که آستانه انتهایی پله های متوالی را به یکدیگر متصل می سازد، تشکیل می گردد. در زیر این بستر کاذب جریان های گردابی تشکیل می شود، به طوری که قسمت اعظم انرژی جنبشی جریان بر اثر ایجاد جریان های چرخشی در زیر بستر کاذب مستهلک می شود.
-3 جریان تبدیلی: این جریان حد واسط دو نوع جریان ریزشی و غیر ریزشی بوده و از نظر طراحی اهمیت چندانی ندارد.
پگرام و همکاران - 1999 - تحقیق جامعی را با هدف بررسی تأثیر مشخصات هندسی پلهها و اثر مقیاس بر روی نوع جریان و میزان افت انرژی، با فرض ایجاد شرایط تعادل در پایین دست تندآب پله ای انجام دادند. نتایج حاصله نشان داد که استهلاک انرژی با افزایش شیب سرریز کاهش می یابد. درصد استهلاک انرژی توسط رابطه زیر محاسبه شده است:
که در آن E1smooth انرژی جریان در پایین دست سرریز صاف، stepped E1 انرژی جریان در پایین دست سرریز پلکانی وEDR درصد استهلاک انرژی می باشند.
اوهوتسو و همکاران - 2004 - روشی را برای طراحی سرریز های پلکانی ارائه کردند، به این ترتیب که به ازای مقادیر ثابت شیب، عرض، ارتفاع سرریز، ارتفاع پله ها و دبی جریان در سرریز، مقدار انرژی باقی مانده، عمق و سرعت آب در پایین دست سرریز پلکانی محاسبه می شود. این محققین روش طراحی گام به گام سرریز پلکانی را با معادلات هیدرولیکی برای طراحان ارائه دادهاند، در صورتی که بهینه سازی سرریز پلکانی جهت دستیابی به بیشترین میزان استهلاک انرژی در الگوریتم طراحی مورد توجه نبوده است.
تابارا و همکاران - 2005 - روش اجزاء محدود2 را برای محاسبه پروفیل جریان آب بر روی سرریز پلکانی بکار گرفتند. آنها برای محاسبه پروفیل سطح آب بر روی سرریز پلکانی از نرم افزار ADINA-f بهره گرفتند. پروفیل سطح آب محاسبه شده در مورد همه سرریزهای پلکانی ساخته شده از لحاظ کیفی منطبق با خصوصیات جریان بوده و از لحاظ کمی نیز مشابه با مقادیر اندازه گیری شده پروفیل سطح آزاد جریان بود. علاوه بر این، استهلاک نسبی انرژی نیز محاسبه و با مقادیر بدست آمده از آزمایش مورد مقایسه قرار گرفت که مطابقت خوبی بین مقادیر عددی و آزمایشگاهی مشاهده گردید.
صادقی - 1382 - از شبکه های عصبی مصنوعی برای تخمین افت انرژی بر روی سرریزهای پلکانی استفاده نمود. دقت نتایج حاصله نشان داد از شبکه های عصبی مصنوعی می توان به عنوان ابزاری مناسب جهت تعیین میزان استهلاک انرژی و طراحی این سرریز استفاده نمود.
هدف از این تحقیق ارائه روشی برای بهینه سازی هندسی سرریز پلکانی با استفاده از الگوریتم ژنتیک است به نحوی که بیشترین استهلاک انرژی بر روی سرریز پلکانی به ازای بهترین ترکیب از پارامترهای موثر در طراحی این سرریزها ایجاد شود.
2. مواد و روشها
تعریف مسأله بهینه سازی
الف - تابع هدف دبی طراحی سرریز معمولاً دبی حداکثر سیل با دوره بازگشت معین - در این تحقیق 10000 ساله - می باشد. با توجه به این موضوع، دبی طراحی به عنوان پارامتر معلوم در این تحقیق در نظر گرفته شد. با توجه به اینکه که نوع جریان بر روی سرریز پلکانی به ازای دبی طراحی از نوع شبه صاف است، لذا طراحی بهینه سرریز نیز در این شرایط انجام گرفت. هدف از بهینه سازی سرریز پلکانی تعیین ابعاد بهینه سرریز برای حداکثر سازی استهلاک نسبی انرژی است. رابطه بکار گرفته شده در این تحقیق به عنوان تابع هدف برای محاسبه استهلاک نسبی انرژی به فرم زیر می باشد
: Eres عبارت از مقدار انرژی باقی مانده در پنجه سرریز بوده که تابعی از شیب سرریز - - a، عرض سرریز - - w، ارتفاع پلکانها - - h، ارتفاع سرریز - - Hdam، و بار آبی - - Hd میباشد.
: E استهلاک نسبی انرژی و E m ax
: H dam پارامتر بدون بعد نسبت ارتفاع سرریز به عمق بحرانی است
ب - قیدهای مسئله منظور از قید مجموعهای از محدودیتها می باشد که به هر یک از پارامترهای تابع هدف می توان اختصاص داد. قیدهای مسأله به شرح زیر می باشند:
.1 جریان ایجاد شده بر روی سرریز باید از نوع شبه صاف باشد. بر این اساس رابطه زیر بایستی برقرار باشد:
.2 دبی واحد عرض سرریزهای پلکانی نباید بیش از 30 متر مکعب بر ثانیه بر متر باشد. چنانچه پارامتر مربوط به عرض w با x 2 نشان داده شود، قید مربوط به صورت زیر خواهد بود:
.3 معادله سرریزها در حالت کلی به صورت Q بوده که در این رابطه، c ضریب تخلیه سرریز میباشد. با توجه به اینکه عرض سرریز - - w جزء متغیرهای بهینه سازی میباشد، تغییر در عرض سرریز باعث تغییر در بار آبی - - Hd و در نهایت منجر به تغییر ضریب c خواهد شد. لذا ترکیب این متغیرها با یکدیگر در فضای شدنی باید به نحوی انجام بگیرد که رابطه مربوط به سرریزها با توجه به معلوم بودن مقدار دبی طراحی برقرار باشد. اگر Hd با x - 5 - نشان داده شود، خواهیم داشت:
در این تحقیق برای تعیین ضریب تخلیه سرریز، از مقادیر ارائه شده توسط - 1987 - USBR استفاده گردید. جهت کاربرد این مقادیر در برنامه بهینه سازی، اقدام به تعیین رابطه بین ضریب تخلیه و P/Hd بر اساس مقادیر ارائه شده توسط USBR با نرم افزار Curve Expert گردید. رابطه حاصل به فرم زیر است که در آن مقدار c در سیستم متریک میباشد:
که در آن P اختلاف رقوم بین کف کانال ورودی - تقرب - و تاج سرریز میباشد که در بهینه سازی سرریز مقدار آن ثابت و معادل 4/8 متر در نظر گرفته شده است.
.4 فضایی که جهت ساخت سرریز اختصاص داده میشود نیز میتواند جزء محدودیتهای مسأله باشد. به این ترتیب که طول افقی سرریز با توجه به موقعیت منطقه نمیتواند از یک مقدار مشخص تجاوز نماید. با توجه به اینکه طول افقی سرریز رابطه مستقیم با شیب و ارتفاع آن دارد، در صورتی که ارتفاع شوت سرریز - Hchute - با x - 4 - و شیب آن - a - با x - 1 - نشان داده شود، روابط زیر را می توان ارائه نمود
