بخشی از مقاله
چکیده
سرریزهای جانبی یکی از مهمترین سازههای کنترل و انحراف جریان در آزمایشگاههای هیدرولیک، شبکههای آبیاری و زهکشی، کانالهای انتقال آب و فاضلاب هستند. سرریزهای جانبی معمول به طور همزمان قادر به اندازهگیری دقیق دبی و تخلیه حجم زیادی از جریان در مواقع سیلابی نیستند، به همین دلیل در این تحقیق برای نخستین بار سرریز جانبی لبهتیز ترکیبی مورد بررسی قرار گرفته است. این نوع سرریز میتواند جریان عبوری از خود را با دقت بالایی در محدوده وسیعی از دبیها اندازهگیری کند.
برای تخمین ضریب تخلیه سرریز مذکور، ابتدا با در نظر گرفتن پارامترهای مؤثر بر ضریب تخلیه و آنالیز ابعادی نشان داده شد که ضریب تخلیه این سرریز تابعی از عدد فرود در بالادست جریان، نسبت ارتفاع وزنی تاج سرریز به عمق جریان در بالادست سرریز و عرض کانال به عمق جریان در بالادست سرریز میباشد. سپس با مدل سازی فیزیکی هیدرولیک جریان در سرریزهای لبهتیز ترکیبی با مقطع مستطیلی – مستطیلی و با استفاده از الگوریتم ژنتیک، رابطهای بدون بعد برای محاسبه ضریب تخلیه سرریز های جانبی لبهتیز ترکیبی استخراج شد. پس از مقایسه آماری مقادیر آزمایشگاهی و محاسباتی ضریب تخلیه، مشخص شد که رابطه پیشنهادی دارای دقت بالایی است.
مقدمه
سرریزهای جانبی یکی از سازههای مهم هیدرولیکی است که با اهداف متفاوتی در سیستمهای انتقال آب بهکار گرفته می-شود. این نوع سرریزها به طور وسیعی برای انحراف جریان و کنترل سطح آب درشبکههای آبیاری و زهکشی، انحراف سیل در پروژههای مهندسی رودخانه و سیستمهای زهکشی شهری مورد استفاده قرار میگیرند. این سازه همچنین به عنوان سازه حفاظتی در بالادست سیفونهای معکوس، زیرگذر جاده، نقاط خطرناک و سیلخیز رودخانهها و نیز به عنوان سرریز انتهایی در انتهای کانال اصلی برای تخلیه آب مازاد ناشی از بهرهبرداری نادرست آبگیرهای بالادست به کار میروند.
با توجه به کاربرد وسیع سرریزهای جانبی، این نوع سرریزها باید دارای خصوصیاتی باشند تا بتوانند به خوبی در شبکههای انتقال آب و یا سیستمهای انحراف در رودخانهها مورد استفاده قرار گیرند. از جمله این خصوصیات میتوان به اندازهگیری دقیق دبی جریان عبوری برای آبگیری مناسب از کانال و توانایی آن در خروج میزان قابل توجهی از جریان سیل در مکانهایی که به عنوان سازه حفاظتی به کار میرود، اشاره کرد.
سرریزهای جانبی ساده این دو قابلیت را به صورت توام دارا نمیباشند بطوریکه اگر عرض سرریز کوچک باشد فقط برای اندازهگیری جریان مناسب است و اگر عرض سرریز، بزرگ درنظر گرفته شود، برای تخلیه سریع سیلاب مناسب است اما دقت اندازهگیری دبی کاهش مییابد. به همین دلیل برای اولین بار در این تحقیق، سرریزهای جانبی لبهتیز ترکیبی پیشنهاد شده است. مزیت مهم اینگونه سرریزها، دقت مناسب اندازهگیری دبی در محدوده وسیعی از شرایط جریان - کمآبی تا سیلاب - و نیز تخلیه موثر سیل است. بر اساس بررسیهای صورتگرفته، در زمینه اینگونه سرریزها تاکنون مطالعه ای صورت نگرفته و فقط مطالعات آزمایشگاهی اندکی در خصوص سرریزهای لبهتیز مرکب نرمال - که در عرض کانال و عمود بر جهت جریان احداث میشوند - انجام شده است.
دیمارچی - 1934 - از افت انرژی در طول سرریز و برخی پارامترهای دیگر صرف نظر نمود و حل تحلیلی معادلات حاکم بر جریان در محدوده سرریزهای جانبی را بدست آورد. سابرامانیا و آواستی - 1972 - معادله دیفرانسیل عمومی جریان متغیر مکانی با کاهش دبی در یک کانال مستطیلی افقی را که در آن یک سرریز جانبی با ارتفاع صفر یا محدود قرار داشت، در نظر گرفتند و با انجام آزمایشات برای جریان زیر بحرانی و فوق بحرانی، روابطی را برای محاسبه ضریب تخلیه سرریزهای جانبی لبه تیز ارائه نمودند.
سینگ و همکاران - 1994 - نشان دادند که ضریب شدت جریان علاوه بر عدد فرود بالادست به نسبت ارتفاع سرریز به عمق جریان بالادست سرریز نیز بستگی دارد و با استفاده از رگرسیونگیری چند متغیره رابطهای برای محاسبه ضریب تخلیه بدست آوردند.
مارتینز و همکاران - 2005 - با ترکیب خطی معادلات دبی سرریزهای لبه تیز مثلثی ساده، معادله جهانی دبی را برای یک سرریز لبه پهن مثلثی ترکیبی که از دو قسمت مثلثی تشکیل یافته بود بدست آوردند. آنها دریافتند که اگر ضرایب دبی هر کدام از شکاف های سرریز از قبل مشخص باشد، معادله مورد نظر آنها تخمین خوبی از ضریب دبی - برای حالتی که جریان از قسمت بالایی سرریز عبور می کند - فرآهم می آورد.
خورچانی و بلانپاین - 2005 - با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی یک معادله دبی با دقت بالا برای سرریزهای جانبی بدست آوردند که ضریب تخلیه را از روی وزنهای رشته-های شبکه عصبی بدست میآورد، .همچنین مطالعات آزمایشگاهی انجام شده، هم بر روی آب باقیمانده در کانال اصلی میباشد و هم بر روی آب خارج شده از سرریز. در مطالعات رامامورتی و همکاران - 2006 - ضریب دبی اصلاح شدهای برای سرریزهای جانبی کانالهای مستطیلی و دایرهای ارائه شده است.
در این تحقیق از روش حداقل مربعات جزئی 1 - PLS - چند متغیره غیرخطی به منظور بدست آوردن روابط تجربی برای cd بر اساس پارامترهای بیبعد Fr1 ، w / y1 و L / D استفاده شده است. جان و همکاران - 2009 - با ایجاد ترکیبات خطی بین سرریزهای ساده تشکیل دهنده سرریزهای ترکیبی، روابطی برای تعیین دبی عبوری از روی سرریزهای لبه پهن ترکیبی متقارن ارائه دادند
اِمیراُقلو. و همکاران - 2010 - در تحقیقات خود، سرریز لبیرانت2 را به عنوان یک سرریز جانبی در کانالی مستقیم بررسی نمودند. آنها چگونگی تاثیر هیدرولیکی سرریز لبیرانت جانبی و پارامترهای بیبعد مختلف را بر ضریب دبی، پروفیل سطح آب و سرعت در طول کانال اصلی مورد تحقیق قرار دادند. در این تحقیق مشخص شد ضریب دبی در سرریزهای لبیرانت جانبی 1/5 تا 4/5 برابر سرریزهای جانبی مستطیلی است.
ایزدجو و شفاعی بجستان - 1375 - پس از ارائه یک مدل برای محاسبه پروفیل سطح آب در طول سرریز جانبی که معادلات دیفرانسیلی آبگیرهای جانبی را با روش رانگ کوتای مرتبه چهار حل میکند و قادر به طراحی آبگیرهای جانبی می-باشد، رابطهای برای محاسبه ضریب تخلیه جریان در سرریزهای مستطیلی لبه تیز پیشنهاد نمودند.
برقعی و صالحی - 1382 - با در نظر گرفتن عمق روی سرریز به عنوان عمق بحرانی، دبی سرریز جانبی را محاسبه و رابطهای برای محاسبه ضریب تخلیه ارائه دادند. قبادیان و شفاعی بجستان - 1385 - با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی، ضریب تخلیه سرریزهای جانبی را بهینه-یابی کردند و دریافتند که نتایج حاصل از شبکه عصبی مصنوعی با دقت بالاتری نسبت به روشهای تجربی موجود، قادر است ضریب تخلیه سرریز جانبی را تعیین نماید.
هنر و طرزکار - 1386 - نیز کاربرد شبکه عصبی مصنوعی در تخمین ضریب آبدهی سرریزهای جانبی را بررسی نمودند و در نهایت نتایج تخمین ضریب آبدهی توسط روابط محققین مختلف با استفاده از معیار دقت مورد ارزیابی قرار گرفت که در این خصوص روش شبکه عصبی مصنوعی نسبت به سایر روش ها از دقت بالاتری برخوردار بود.
همچنین محمدی - 1390 - با استفاده از نتایج مدل آزمایشگاهی، مدلی کامپیوتری برای محاسبه پروفیل جریان در محدوده سرریز تهیه نمودند. این مدل قادر است شرایط جریان حاکم بر سرریز جانبی را تشخیص داده و سپس با توجه به این شرایط، پروفیل سطح آب را در حالت وقوع پرش هیدرولیکی و دیگر حالتها رسم نماید. در ادامه به تحقیقات صورت گرفته در زمینه استفاده از الگوریتم ژنتیک در مسائل مربوط به علوم آب اشاره گردیده است.
ونگ - 1991 - به طور موفقیتآمیزی از الگوریتم ژنتیک برای کالیبره کردن مدل بارش- رواناب استفاده نمود. حالت تکامل یافتهای از 1GA در بهینهسازی شبکه ذخیره آب توسط دندی و همکاران - 1996 - ارائه شد که مقایسه آن با سایر روشهای بهینهسازی نشانگر برتری GA میباشد. ولتر و ساوینچ - 1997 - با استفاده از الگوریتم ژنتیک به بهینهسازی شکل شبکههای شاخهای مانند سیستمهای توزیع آب پرداختند. این روش برای بهینهسازی شبکه ذخیره آب نیویورک مورد استفاده قرار گرفت.
مارکو و همکاران - 2003 - از الگوریتم ژنتیک برای بهینهسازی سدهای بتنی وزنی استفاده کردند. در این پژوهش هزینه ساخت سد به عنوان تابع هدف و نوع مصالح مورد استفاده، دمای بتنریزی و نیروی برکنش آب به عنوان متغیرهای طراحی مساْله تعریف شدند. با مقایسه نتایج حاصل از بهینهسازی با مقادیر واقعی طراحی میتوان دریافت الگوریتم ژنتیک از پتانسیل بالایی در بهینهسازی سدهای بتنی وزنی برخوردارست.
نورانی - 2010 - نیز از الگوریتم ژنتیک و کلونی مورچگان - ACO - 2 جهت بهینهسازی ابعاد کانالها استفاده نمود و نتایج حاصله از دو الگوریتم بهینهسازی را مورد مقایسه قرار داد. کاردان و همکاران - 1390 - با استفاده از الگوریتم ژنتیک ابعاد سرریزهای لبهتیز ترکیبی را بهینهیابی کردند، نتایج حاصل از کار آنها حاکی از آن است که روش الگوریتم ژنتیک از قابلیت بالایی در بهینهسازی برخوردار بوده و میتواند وزن سرریزهای لبه تیز ترکیبی را به میزان خوبی کاهش دهد. صادقیان و جهانپور - 1390 - ضرایب a و b در رابطه فرشهایمر را با استفاده از GA بهینهسازی کردند و با مقایسه مقادیر آزمایشگاهی این ضرایب با مقادیر محاسبه شده توسط GA نزدیکی قابل قبول این دو مقادیر را نشان دادند.
با بررسی تحقیقات گذشته مشخص شد که با وجود مطالعات فراوانی که در زمینه سرریزهای جانبی لبهتیز ساده صورت گرفته است اما سرریزهای جانبی لبهتیز ترکیبی که توانایی اندازهگیری دقیق دبی عبوری و خروج میزان قابل توجهی از جریان در زمان رخداد سیلاب را دارد، تاکنون مورد توجه قرار نگرفته است. در این مقاله سعی شده است که با استفاده از تکنیک الگوریتم ژنتیک و از طریق ساخت مدل فیزیکی و انجام آزمایشات ضریب تخلیه، سرریزهای جانبی لبهتیز ترکیبی محاسبه شود.
مواد و روشها سرریز جانبی لبهتیز ترکیبی
سرریز جانبی لبه تیز ترکیبی Compound Sharp-Crested Side weir سرریزی است که شامل سه سرریز ساده لبهتیز میباشد. در تحقیق حاضر سرریز جانبی لبه تیز ترکیبی مورد مطالعه در آزمایشات از نوع مستطیلی – مستطیلی است، که همانطور که در شکل 1 مشاهده میشود این سرریز شامل سه سرریز مستطیلی، یکی در چپ، یکی در وسط و یکی در راست میباشد.
شکل -1 نمایی از سرریز جانبی لبه تیز ترکیبی با مقطع مستطیلی – مستطیلی مورد استفاده در آزمایشات
