بهینه‌سازی هندسی سرریز کنگره‌ای و بهبود کارایی هیدرولیکی با استفاده از الگوریتم گرگ خاکستری

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران،دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

2 گروه مهندسی عمران، دانشکده شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران.

3 گروه مهندسی عمران، دانشکده شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

چکیده

چکیده
در این تحقیق با استفاده از الگوریتم گرگ خاکستری(GWO) به طراحی بهینه سرریز کنگره‌ای ذوزنقه‌ای با توجه به شرایط هیدرولیکی مورد نظر پرداخته شده است. با انتخاب حجم بتن مصرفی سرریز به عنوان تابع هدف، پس از چندین بار اجرای مدل و سعی و خطا، مقادیر پارامترهای الگوریتم نظیر تعداد تکرار، تعداد گرگ و ضریب جریمه به ترتیب، 1000، 30 و 1011 تعیین گردید و با پنج بار آزمایش، در تکرار 996، پاسخ بهینه تابع هدف حاصل شد. مقدار به دست آمده از الگوریتم پیشنهادی با مقدار واقعی و همچنین نتایج الگوریتم‌های جستجوی فاخته، ژنتیک و تکامل تفاضلی در مطالعات پیشین مقایسه گردید. استفاده از الگوریتم گرگ خاکستری در طراحی ابعاد سرریز کنگره‌ای سد مورد نظر، کاهش 928/40 درصدی حجم بتن ریزی و افزایش 71/10 درصدی دبی عبوری نسبت به مقدار واقعی را در پی داشت که در مقایسه با الگوریتم‌های فوق الذکر عملکرد بهتری از خود نشان داد. کاهش قابل ملاحظه حجم بتن مصرفی در سرریز پیشنهادی با استفاده از الگوریتم گرگ خاکستری نسبت به نمونه اجرا شده، نماینگر توانایی و لزوم استفاده از این الگوریتم جهت حل مسائل بهینه سازی در حوزه سرریزها می‌باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Geometric Optimization of labyrinth spillways and Improvement of Hydraulic Performance Using Gray Wolf Algorithm

نویسندگان [English]

  • Atefeh sadat hoseyni 1
  • Mohammad Givehchi 2
  • Jafar Jafari-asl 3
1 Department of Civil Engineering, , Faculty of Shahid Nikbakht, Sistan and Baluchestan University, Zahedan, Iran
2 Department of Civil Engineering, , Faculty of Shahid Nikbakht, Sistan and Baluchestan University, Zahedan, Iran
3 Department of Civil Engineering, , Faculty of Shahid Nikbakht, Sistan and Baluchestan University, Zahedan, Iran
چکیده [English]

Abstract
In this research, optimal design of trapezoidal labyrinth spillway has been investigated using Gray Wolf Optimization (GWO) algorithm with respect to hydraulic conditions. By choosing the assumed volume of spillway concrete as the objective function, after several running the model and trial & error, parameters of the algorithm such as iteration, number of wolves and the penalty coefficient were determined to be 1000, 30 and 〖10〗^11, respectively and by five times of testing, at the 996th iteration, the optimal response of objective function was achieved. The obtained value from the proposed algorithm was compared to the real value and also the results of the Cuckoo Search (CS) algorithm, Genetic Algorithm (GA) and Differential Evolution (DE) in previous studies. Using GWO algorithm for designing the considered dam's spillway, made reduction of 40.928% in amount of assumed concrete volume and increase the rate of discharge to 10.71% than to real value, which showed a better performance compared to above algorithms. Significant reduction of the consumed concrete volume in the proposed spillway by using GWO algorithm indicates ability and necessity of using this algorithm to solve optimization problems in the field of spillways.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Discharge coefficient
  • Hydraulic structures
  • Labyrinth Spillway
  • Metaheuristi Algorithm
  • optimization
اژدری مقدم،م.، امانیان،ن،ا وجعفری ندوشن،ا. 1388. بهینه‌یابی هندسه سرریز کنگره‌ای مثلثی با استفاده از مدل فازی-عصبی و الگوریتم ژنتیک (مطالعه موردی سد Hyrum در ایالت یوتای آمریکا) . مدل‌سازی در مهندسی. 7 .19: 57-68 .
جزائری فارسانی،س،پ و معینی،ر. 1395. استفاده از الگوریتم کلونی زنبورعسل مصنوعی در طراحی بهینه سرریز پلکانی. یازدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران. آذر ماه ، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره) قزوین.
سنگ‌سفیدی، ی.، مهرآیین، م.، قدسیان، م و قلی زاده،ع . 1393 . رژیم جریان در سرریزهای کنگره‌ای قوسی. سیزدهمین کنفرانس هیدرولیک ایران. آبان ماه، دانشگاه تبریز.
شکویی بناب، ب. 1391. طراحی بهینه سرریزهای کنگره‌ای با استفاده از الگوریتم‌های تکاملی. پایان‌نامه کارشناسی ارشد، سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده فنی مهندسی عمران، دانشگاه تبریز.
ضمیری،ا.، فرزین،س وکرمی،ح. 1396. مطالعه عددی عوامل موثر بر عملکرد هیدرولیکی جریان عبوری از سرریز کنگره‌ای. آبیاری و زهکشی ایران. 11. 5: 865-875.
فردوسی،ا.، موسوی،س.ف.، فرزین،س.، کرمی،ح.، احترام،م و ولیخن انارکی،م. 1397. طراحی بهینه و بهبود عملکرد هیدرولیکی سرریز کنگره‌ای با استفاده از الگوریتم جستجوی فاخته. آبیاری و زهکشی ایران. 12. 5: 1086-1097.
قادری،ا. 1395. بررسی آزمایشگاهی تأثیر پارامترهای هندسی سرریز کنگره‌ای با مستهلک کننده انرژی در آبشستگی پایین دست. پایان‌نامه کارشناسی ارشد، سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده فنی ، دانشگاه مراغه.
گودرزی، م.، قدسیان،م و مهرآیین،م . 1396. تأثیر شیب دیوارۀ پایین دست بر ضریب آبگذری سرریز کنگره‏ای انحنادار. مهندسی عمران فردوسی. 30. 1: 1- 12.
Crookston.B.M. and TullisB.P. 2012. Arced labyrinth weirs. Journal of Hydraulic Engineering. 138.6: 555-562
Crookston,B.M. 2010. Labyrinth weirs. Ph.D. dissertation, Utah State University., Logan, Utah.
Darvas,L.1971.Discussion of performance and design of labyrinth weirs, by Hay and Taylor. Journal of hydraulic engineering. 97.80:1246-1251.
Emiroglu,M.E., Kaya,N. and Agaccioglu,H. 2010 . Discharge Capacity of Labyrinth Side Weir Located on a Straight Channel.Journal of Irrigation and Drainage Engineering 136.1:37-46.
Falvey,H.T. 2003. Hydraulic design of labyrinth weirs. ASCE Press. Reston, Virginia, USA. 84-86.
Gentilini,B. 1941. Stramazzi con cresta a pianta obliqua e a zig-zag (Weirs with oblique and zig-zag crests). L’Energia Elettrica 18.10: 653-664 (in Italian).
Haghiabi,A.H., Parsaie,A. and EmemgholizadeH,S. 2018. Prediction of discharge coefficient of triangular labyrinth weirs using Adaptive Neuro Fuzzy Inference System. Alexandria Engineering Journal. 57:1773–1782.
Hay,N and Taylor,G.1970. Performance and design of labyrinth weirs. Journal of the Hydraulics Division, , 96.11: 2337-2357.
Hepler,T. 1992. Innovative Spillway Designs. U.S. Bureau of Land Management Papers, 32: 1222-1227
Hosseini,K., Nodoushan,E.J., Barati,R and Shahheydari,H. 2016. Optimal design of labyrinth spillways using meta-heuristic algorithms. KSCE Journal of Civil Engineering. 20.1: 468- 477.
 
­­Houston,K.L. 1982. Hydraulic model study of Ute Dam labyrinth spillway. Report No. GR-82-7, US Bureau of Reclamation,Denver.
Kardan,N., Hassanzadeh,Y and Bonab,B.S. 2017. Shape optimization of trapezoidal labyrinth weirs using genetic algorithm. Arabian Journal for Science and Engineering. 42:1219-1229.
Lux,F.1989. Design and application of labyrinth weirs.Design of hydraulic structures. 89:205-215.
Megalháes,A.P. and Lorena,M. 1989. Hydraulic design of labyrinth weirs. Report No736. National Laboratory of Civil Engineering. Lisbon. Portugal.
Mirjalili,S.A., Mirjalili,S.M and Lewis,A.2014.Grey Wolf Optimizer. Advances in Engineering Software.69: 46-61.
Muro,C., Escobedo,R., Spector,L and Coppinger.R. 2011. Wolf-pack (Canis lupus) hunting strategies emerge from simple rules in computational simulations. Behavioural processes. 88:192-197.
Taylor,G. 1968. The performance of labyrinth weirs, Ph.D. dissertation, University of Nottingham.
Tullis,J.P., Amanian,N and Waldron,D.1995. Design of labyrinth spillways. Journal of hydraulic engineering.121.3: 247-255.
Tullis,B.P., Young,J.C and. Chandler, M.A .2007. Head-Discharge Relationship for Submerged Labyrinth Weirs. Journal of Hydraulic Engineering.133.3: 248-254.
Willmore,C.M. 2004. Hydraulic characteristics of labyrinth weirs. MSc. Thesis, Utah State University, Logan, Utah.