بررسی آزمایشگاهی اثر شیب مثبت دیواره در نیم‌رخ طولی بر ضریب آبگذری سرریز مثلثی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 عضو هیأت علمی دانشگاه

3 دانشجوی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

چکیده

سابقه و هدف: سرریز‌ها همواره یکی از اجزای مهم شبکه‌های انتقال و توزیع آب محسوب می‌شوند که با وجود ساده بودن ساختار و عملکرد آن، نقش مهمی در این شبکه‌ها ایفا می‌کنند. سرریز‌ها از جمله سازه‌های هیدرولیکی مهم جهت کنترل جریان و تنظیم سطح آب می‌باشند که باعث افزایش ارتفاع سطح آب و در نتیجه تامین ارتفاع آب مورد نیاز برای منحرف کردن دبی مورد نظر به کانال‌های جانبی می‌شوند. همچنین از این سازهها به‌عنوان وسایل اندازه‌گیری دبی عبوری نیز استفاده می‌شود از کاربردهای مهم سرریز‌ها، عبور مطمئن سیلاب پشت سدها است. هدف از این پژوهش بررسی اثر تغییر شیب جداره بر ضریب آبگذری جریان سرریز مثلثی و ارائه رابطه‌ای برای برآورد ضریب دبی بر اساس پارامتر‌های هیدرولیکی هندسی می‌باشد.
مواد و روش‌ها: ضریب دبی تابع از پارامترهایی از قبیل عدد فرود جریان (Fr)، زاویه راس (𝜭)، نسبت هد آب روی سرریز به ارتفاع سرریز (H/P) و نسبت هد آب روی سرریز به طول موثر (H/L_e ) در نظر گرفته شد. برای این منظور از داده‌هایی که از آزمایش‌های انجام شده روی مدل فیزیکی سرریز مثلثی با 4 زاویه راس متفاوت و در سه شیب مختلف، که در آزمایشگاه تحقیقات آب و رسوب دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان برداشت شد، استفاده گردید و سپس به کمک روش برنامه‌ریزی بیان ژن رابطه‌ای با دقت بالاتر برای ضریب آبگذری سرریز مثلثی بدست آمد .جهت اجرای مدل برنامه ریزی بیان ژن، 30 کروموزوم و 3 ژن انتخاب شد و توانایی این روش به‌کمک دو پارامتر‌ آماری مانند ضریب هم‌بستگی (R2) و جذر میانگین مربعات خطا (RMSE) مورد ارزیابی قرار گرفت.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که در تمامی زوایای راس، با افزایش شیب جداره در یک عدد فرود ثابت، ضریب آبگذری کاهش می‌یاید هم‌چنین با افزایش نسبت H/P در ابتدا یک روند کاهشی و سپس روند افزایشی در مقدار ضریب Cd مشاهده می‌شود. روش برنامه‌ریزی بیان ژن ضرایب همبستگی 9676/0 و 8591/0 و جذر میانگین مربعات خطا برابر با 0247/0 و 0706/0 به‌-ترتیب در دو بخش آموزش و آزمون، ضریب آبگذری سرریز مثلثی را برآورد نمود. مدل مذکور در مقایسه با نتایج رگرسیونی با ضرایب همبستگی 9253/0 و 8029/0 و جذر میانگین مربعات خطا برابر با 0467/0 و 084/0 به‌ترتیب در دو بخش آموزش و آزمون، نتایج دقیق‌تری را در مقایسه با مدل رگرسیونی ارائه می‌نماید. به‌عبارتی استفاده از روش برنامه‌ریزی بیان ژن موجب کاهش 10/47 درصدی خطای پیش‌بینی ضریب آبگذری سرریز مثلثی شده‌است.
نتیجه‌گیری: نتایج به‌دست آمده از این پژوهش نشان داد مدل هوشمند برنامه‌ریزی بیان ژن، به‌خوبی توانسته‌است ضریب آبگذری سرریز مثلثی در پلان را پیش‌بینی کند و استفاده از آن موجب بهبود نتایج پیش‌بینی در مقایسه با روش‌های مرسوم حاصل از مدل رگرسیونی شود. به‌عبارتی، نتایج به‌دست‌آمده، بیان‌گر توانایی روش برنامه‌ریزی ژن در تعیین ضریب آبگذری سرریز مثلثی و در نتیجه برآورد صحیح‌تر آن می‌باشد. بنابراین، استفاده از این روش در مسائلی مشابه با موضوع این پژوهش پیشنهاد می‌شود

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Assessment of the effect of positive Variation of weir in cross section on discharge coefficient of triangle weirs structures

نویسندگان [English]

  • mehdi meftah 1
  • Amir ahmad dehghani 1
  • khalil ghorbani 2
  • mahsa karimipour sourkouhi 3
2 Faculty Member
3 student of gorgan university of agricultural science and natural resources
چکیده [English]

Background and Objectives: Weirs are always one of the most important components of water transmission networks, due to its simple structure and function. These components play an important role in the hydraulic structures by regulating the water surface, measuring the flow discharge and increasing the water level. And as a result, provide water heights needed to divert the desired flow into the lateral channels. Also, these structures are used as flow measuring devices of the important applications of overflows, the secure flow of floods behind the dams. The purpose of this study is to investigate the investigation the effect of positive Variation of weir in cross section on discharge coefficient of triangle weirs structures and provide a relationship for estimating the discharge coefficient based on geometrical hydraulic parameters.
Materials and Methods: The discharge coefficient was defined as a function of Froude number (Fr), angle of vertex, ratio of water head to height of weir (H/P) and ratio of water head to effective length (H/Le). To achieve this aim, several experiments were done in the water and sediment laboratory, located in Gorgan agricultural sciences and natural resources university . The experiments were accomplished by 4 different angles of vertexes and 3 different slopes. Then, an equation was set by using Gene Expression Programming (GEP) to estimate the discharge coefficient by more accuracy.
Result:The findings showed that the discharge coefficient would decrease by increasing trend in the side slopes in the constant Froude number. Also, by increasing the ratio of H/P a decreasing and increasing trend in the discharge coefficient was seen, respectively. The results show that GEP predicted the coefficient of triangle weirs structures with R2 of 0.9676 and 0.8591 and RMSE of 0.0706 and 0.0247 for training and testing stages, respectively. This model gave better results compared by regression equation with R2 of 0.9253 and 0.8029 and RMSE of 0.0467 and 0.084 for training and testing parts, respectively. In the other words, the error of coefficient triangle weirs structures prediction was decreased about 47.10% using GEP approach.
Conclusion: The results show that GEP intelligence approach is an adequate model to coefficient triangle weirs structures. Also, the results of traditional regression equations were improved using this method. In the other words, these results indicated that GEP is reliable to evaluate the coefficient discharge of triangle weirs structures by more accurate estimation. So; use of this way is suggested in future studies related to this topic.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Discharge coefficient
  • Gene expression programming
  • Variation of weir
  • Flow
  • Triangular weir
1.Azamathulla, H.M. 2012. Gene
expression programming for prediction of
scout depth downstream of sills. J. Hydol.
460-461: 156-159.
2.Carollo, F.G., Ferro, V., and Pampalone,
V. 2017. Testing the Outflow Process
over a Triangular Labyrinth Weir. J. Irrig.
Drain. Engin. 143: 8. 06017007.
3.Ebtehaj, I., Bonakdari, H., Zaji,
A.H., Azimi, H., and Sharifi, A. 2015.
Gene expression programming to predict
the discharge coefficient in rectangular
side weirs. Applied Soft Computing.
35: 618-628.
4.Corkson, B., and Tullis, B.P. 2012. Arced
labyrinth weirs. J. Hydr. Engin. 138: 555-562.
5.Emamgholizadeh, S., Bateni, S.M.,
Shahsavani, D., Ashrafi, T., and
Ghorbani, H. 2015. Estimation of soil
cation exchange capacity using Genetic
Expression Programming (GEP) and
Multivariate Adaptive Regression Splines
(MARS). J. Hydrol. 529: 1590-1600.
6.Emiroglu, M., and Baylar, A. 2005.
Influence of included angle and sill
slope on air entrainment of Triangular
planform Labyrinth Weir. J. Hydr. Engin.
131: 184-189.
7.Ferreira, C. 2001a. Gene Expression
Programming in Problem Solving. In: 6th
online world conference on Soft
Computing in Industrial Applications
(Invited tutorial), Pp: 1-22.
8.Ferreira, C. 2001b. Gene Expression
Programming. A New Adaptive Algorithm
for Solving Problems. Complex Systems.
13: 2. 87-129.
9.Ferreira, C. 2004. Gene expression
programming and the evolution of
computer programs. Recent Developments
in Biologically Inspired Computing,
Pp: 82-103.
10.Ghaderi, A., Danesh Afza, R., and
Desineh, M. 2015. The effect of creating
a positive slope edge labyrinth weir on
discharge coefficient and discharge rate
the. 4th. International Congress on Civil
Engineering, Architecture and Urban
Development 27-29 December 2016.
Shahid Beheshti University. Tehran. Iran.
11.Ghodsian, M. 2009. Stage-discharge
relationship for a triangular labyrinth
spillway. Proceedings of the ICE-Water
Management. 1: 62. 173-178.
12.Gupta, K.K., Kumar, S., and Ahmad, Z.
2014. An approach to analyze the flow
characteristics of sharp-crested triangular
platform contracted weirs. World Appl.
Sci. J. 32: 7. 1311-1317.
13.Guven, A., and Ersin Talu, N.
2010. Gene expression programming
for estimating suspended sediment yield
in middle Uuphratesbasin. Clean-Soil,
AirWater. 38: 12. 1159-1168.
14.Hay, N., Taylor, G. 1970. Performance
and desinge of labyrinth weirs. J.
Hydraul. Div. 96: 2337-2357.
15.Jamifar, F., Takavandi, A., Maghfor
Maghreebi, M., and Bina, K. 2015.
Investigate the effect of vertex angle on
hydraulic performance of Triangular
labyrinth weir. 3th International Congress
on Civil Engineering, Architecture,
Urban Development. 29-31 Decmber.
Shahid Beheshti University. Tehern. Iran.
16.Mohebbi, M., Meftah Halaghi, M.,
Dehghani, A., and Zahiri, A. 2015.
Experimental Study of Discharge
Coefficient of Triangular-in-plan
weir structure. 5th National Conference
Sustainable Architecture, 15 July. Institute
of Higher Education Mehravand. Theran.
17.Oskouei, M., Emadi, A.R., and
Shahnazari, A. 2016. Investigation of
simultaneous slope of upstream and
downstream ramps on hydraulic
performance of rectangular labyrinth
weir. J. Water Soil Cons. 23: 4. 155-169.