تعیین ضریب دبی سرریزهای لبه‌تیز کنگره‌ای U شکل تک سیکل با استفاده از روش مبتنی بر کرنل SVM

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری عمران- سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده پردیس خودگردان، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

2 استاد گروه مهندسی آب، قطب علمی هیدروانفورماتیک، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

3 استاد گروه مهندسی عمران- آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

سرریزها از جمله سازه‌های هیدرولیکی و بسیار حیاتی از جوانب مختلف همچون اقتصادی، زیست محیطی، ایمنی و امنیتی می‌باشند که علاوه بر عبوردهی و اندازه‌گیری جریان، سازه‌ای کنترل کننده در مواقع سیلابی هستند. هدف اصلی تحقیق، تخمین ضریب دبی به روش هوشمند ماشین بردار پشتیبان با کاربرد داده‌های آزمایشگاهی و همچنین تحلیل عملکرد هیدرولیکی سرریزها می‌باشد. در این مطالعه، متغیرهای هندسی سرریزها به ارتفاع‌های 10، 5/12 و 15 سانتی‌متر، طول قوس‌های متفاوت به مقادیر 82/40، 45 و 10/48 سانتی‌متر می‌باشد. برای تحلیل عملکرد از آنالیز ابعادی به روش پی باکینگهام استفاده گردید، سپس با روش هوشمند با در نظر گرفتن مدل‌های متفاوت به بررسی تأثیر پارامترهای مختلف در تعیین ضریب دبی پرداخته شد. با افزایش طول قوس‌ها، راندمان دبی کاهش می‌یابد، با اینکه با افزایش یافتن طول قوس‌سرریزها طول تاج افزایش می‌یابد، راندمان آبگذری سرریز روند کاهشی می‌گیرد. نتایج حاصل نشان ‌داد که روش‌ هوشمند قادر به تخمین ضریب دبی سرریزهای کنگره‌ای U شکل می‌باشد. نتایج تحلیل حساسیت نشان داد که با حذف پارامتر Ht/P میزان خطای مدل برای سری داده‌های آموزش تا 14 درصد و برای سری داده‌های آزمون تا 20 درصد افزایش می‌یابد و این پارامتر موثرترین متغیر در تخمین ضریب دبی در سرریزهای کنگره‌ای U شکل است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Determining the Discharge Coefficient of One-Cycle Sharp-Crested U-Shape Weirs Using Kernel-Based SVM Approach

نویسندگان [English]

  • firouz mohammadi 1
  • yousef hassanzadeh 2
  • kiyoumars Roushangar 3
1 Ph.D. Student of Civil-Hydraulic Structures Engineering, Faculty of Pardis Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran
2 Professor, Dept. of Water Eng., Center of Excellence in Hydroinformatics, Faculty of Civil Eng., Univ. of Tabriz, Tabriz, Iran
3 Professor, Dept. of Civil-Water Eng., Faculty of Civil Eng., Univ. of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

weirs are one of the hydraulic and very vital structures from various economic, environmental, safety and security aspects. In addition to passing and flow measurement, they are the controlling structures in the floods. The main purpose of the present research was to predict the discharge coefficient to method of intelligent support vector machine using experimental data as well as analysis of the hydraulic performance of weirs. The geometric variables of the weirs were used 10, 12.5, and 15 cm in height, the length of different archs were 40.82, 45, and 48.10 cm. To analysis the performance, the dimensional analysis was used by the 𝜋 Bakingham method, then by intelligent method, considering different models, the effect of different parameters in determining the discharge coefficient were investigated. As the length of the weirs arch increases, the discharge efficiency decreases, and as the length of the weirs arch increases, the crest length increases. The results of sensitivity analysis also showed that by removing the Ht/P parameter, the model error rate increases up to 14% for training data series and up to 20% for test data series, and this parameter is the most effective variable in estimating discharge coefficient in in U-shaped labyrinth weirs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • "Arch length
  • Discharge coefficient
  • labyrinth weirs
  • Sensitivity analysis
  • Support vector machine"
روشنگر، ک.، اعلمی، م.ت. و ماجدی اصل، م. 1396. تعیین ضریب دبی سرریزهای کنگره­ای و قوسی کنگره­ای با روش رگرسیون بردار پشتیبان. نشریه دانش آب و خاک.  27(1): 173-186.
حسینی، خ.، تاج نسایی، م. و جعفری ندوشن، ا. 1394. بهینه­یابی هندسه سرریز کنگر ه­ای مثلثی با استفاده از مدل فازی-عصبی و الگوریتم تکامل تفاضلی (DE): (مطالعه موردی: سد UTE در ایالات متحده آمریکا). نشریه مهندسی عمران و محیط زیست. 45 (1): 81-91.
حیدرپور، م.، موسوی، س.ف. و روشنی زرمهری، ع.ل. 1385. بررسی سرریزهای چند وجهی با پلان مستطیلی و U شکل. مجله علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی. 3 (الف): 1-11.
Bijankhan, M. and Kouchakzadeh, S. 2017. Unified Discharge Coefficient Formula for Free and Submerged Triangular Labyrinth Weirs, Journal of Flow Measurement and Instrument, 57(6):  46-56.
Bilhan, O., Cihan Aydin, M., Emin Emiroglu, M., and Carol J. Miller. 2018. Experimental and CFD Analysis of Circular Labyrinth Weirs, J. Irrigation and Drainage Eng., 144(6): 04018007.
Carollo, F.G., Ferro, V., and Pampalone, V. 2017. Testing the Outflow Process over a Triangular Labyrinth Weir, J. Irrigation and Drainage Eng., 143(8): 06017007.
Christensen NA. 2012. Flow Characteristics of Arced Labyrinth Weirs. M. Sc, thesis, Utah State University, Logan, UT.
Crookston, B.M., and Tullis, B.P. 2013. Hydraulic Design and Analysis of Labyrinth Weirs. I: Discharge Relationships, J. of Irrigation and Drainage Eng., 139(5): 363-370.
Crookston, B.M. and Tullis, B.P. 2012. Discharge Efficiency of Reservoir-Application-Specific Labyrinth Weirs. J. Irrig. Drain. Eng., 138: p. 564-568.
Crookston, B., Paxson, B.G., and Savage, B. 2012. Hydraulic Performance of Labyrinth Weirs for High Headwater Ratios, the 4th IAHR International Symposium on Hydraulic Structures, Porto, Portugal.
Falvey, H.T. 2003. Hydraulic design of labyrinth weirs, ASCE Press (American Society of Civil Engineers) Reston, VA.
Gentilini, B. 1940. Stramazzi con Cresta a Pianta Obliqua ea Zig-Zag: Società Editrica Riviste Industrie Electriche.
Gentilini, B. 1941. Efflusso Dalle Luci Soggiacenti Alle Paratoie Piane Inclinate ea Settore. Società Editrice Riviste Industrie Elettriche.
Ghodsian, M. 2009. Stage–Discharge Relationship for a Triangular Labyrinth Spillway, in Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Management.
Haghiabi, A.H., Parsaie, A., and Ememgholizadeh, S. 2018. Prediction of Discharge Coefficient of Traingular Labyrinth Weirs Using Adaptive Neuro Fuzzy Inference System. Alexandria Engineering Journal. 57(3): 1773-1782.
Hay, N. and Taylor, G. 1970. Performance and Design of Labyrinth Weirs, J. the Hydraulics Division. 96(11): p. 2337-2357.
Karami, H., Karimi, S., Rahmanimanesh, M., and Farzin, S. 2016. Prediction Discharg Coefficient of Traingular Labyrinth Weir Using Support Vector Regression, Support Vector Regression-Firefly, Response Surface Methodology and Principal. j. Flow Measurement and Instrumentation.
Karami, H., Karimi, S., Bonakdari, H., and Shamshirband, S. 2018. Predicting Discharge coefficient of Triangular Labyrinth Weir using extreme Learning Machine, Artificial Neural Network and Genetic Programming. J. Neural Comput and Applic. 29: 983-989.
Kardan, N., Hassanzadeh, Y., and Shakooei Bonab, B. 2017. Shape Optimization of Trapezoidal Labyrinth Weirs Using Genetic Algorithm. Arab J Sci Eng. 42(3): 1219-1229.
Khode, B.V., and Tembhurkar, A.R. 2010. Evaluation and Analysis of Crest Coefficient for Labyrinth Weir, World Applied Sciences Journal. 11(7): 835-839.
Khode, B.V. 2012. Experimental Studies on Flow over Labyrinth Weir, J. of Irrigation and Drainage Eng. 138(6): 548-552.
Kumar, S., Ahmad, Z., and Mansoor, T. 2011. A New Approach to Improve the Discharging Capacity of Sharp-Crested Triangular Plan form Weirs, Flow Measurement and Instrumentation. 22(3): 175-180.
Rehbock, T. 1929. Discussion of Precise Measurements, Trans of ASCE. 93: 1143-1162.
Roushangar, K., Ghasempour, R., and Saghebian, S.M. 2019. Comparative Study of Effective Hydraulic Parameters on Bridge Piers Scouring in Cohesive and Grainy Soils Using Gaussian Process Regression Method. Iranian Journal of Irrigation and Drainage, 12(6): 1475-1485.
Seamons, T.R. 2014. Labyrinth Weirs: A Look into Geometric Variation and Its Effect on Efficiency and   Design Method Predictions. M.Sc Thesis, Utah State University.
Taylor, G. The Performance of Labyrinth Weirs, University of Nottingham, 1968.
Tullis, J.P., Amanian, N., and Waldron, D. 1995. Design of Labyrinth Spillways, J. Hydraulic Eng., 121(3): p. 247-255.
Zaji, A.H. Bonakdari., H. Karimi., S. 2015. Radial Basis Neural Network and Particle Swarm Optimization-Based Equations for Predicting the Discharge Capacity of Traingular Labyrinth Weirs. j. of Flow Measurement and Instrumentation.45: p. 341-347.
Vapnik, V., Guyon, I., and Cortes, C. 1995. Support Vector Networks, Machine Learning, 20: 1-25.
Willmore, C.M. 2004. Hydraulic Characteristics of Labyrinth Weirs, M.S. report, Utah State University, Logan, Utah.