بررسی پارامترهای تاثیرگذار در تخمین افت انرژی در آبروهای زیرزمینی شیبدار مخروطی شکل با استفاده از روش رگرسیون فرآیند گاوسی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مربی، گروه مهندسی عمران، دانشکده مهندسی ساختمان و معماری، دانشگاه فنی و حرفه ای، تهران، ایران

2 دانشگاه فنی و حرفه ای- دانشجوی دکتری عمران سازه های هیدرولیکی دانشگاه تبریز

3 گروه عمران، دانشکده فنی و مهندسی، واحد اهر، دانشگاه آزاد اسلامی، اهر - ایران

چکیده

افت انرژی موضعی یکی از پارامترهای اساسی طراحی آبروهای زیرزمینی یا کالورت ها است. تاکنون مطالعات بسیاری در این خصوص انجام شده و روابط متعددی برای تخمین ضریب افت انرژی موضعی ارائه گردیده است. مطالعات قبلی نشان داده است که ضریب افت انرژی یک پارامتر وابسته به متغیرهای هیدرولیکی جریان و هندسه کالورت است. بااین حال، به دلیل وجود عدم قطعیت در پدیده روابط موجود منجر به نتایج جامع و دقیقی نشده است. در این تحقیق، چندین مدل با در نظر گرفتن ورودی‌های مختلف با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی جهت تخمین ضریب افت انرژی موضعی در آبروهای زیرزمینی مخروطی شیب‌دار تعریف شده و کارایی روش هوشمند رگرسیون فرآیند گاوسی (GPR) به عنوان یک رویکرد مبتنی بر کرنل مورد ارزیابی قرار گرفت و نتایج حاصله با روش برنامه ریزی بیان ژن (GEP) مقایسه گردید. همچنین، به منظور تعیین تاثیر پارامترهای ورودی آنالیز حساسیت انجام شد. نتایج حاصله کارایی بالای روش به‌کاررفته در تحقیق را در تخمین ضریب افت انرژی به اثبات رساند. نتایج مدلسازی با روش GPR نشان داد که مدل با پارامترهای ورودی عدد فرود (Fr)، نسبت عمق آب به قطر آبرو زیرزمینی (Hw/D) و طول کاهنده (Lr)، مدل برتر است. در این حالت مقادیر معیارهای ارزیابی برای سری داده‌های آزمون به‌صورت CC=0.85، DC=0.799 و RMSE=0.2 بدست آمد. همچنین، با انجام آنالیز حساسیت، مشاهده شد که عدد فرود بیشترین تاثیر را بر ضریب افت موضعی دارد و می‌تواند باعث افزایش قابل توجهی در کارایی مدل گردد. استفاده از عدد فرود باعث افزایش تقریبا 40 درصدی دقت مدلسازی شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigating the effective parameters in predicting the energy loss of slope-tapered culverts via GPR approach

نویسندگان [English]

  • Reza Najmi Azad 1
  • firouz mohammadi 2
  • SEYEDMAHDI SAGHEBIAN 3
1 Department of Civil Engineering, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Technical and Vocational University, Tehran, Iran
2 Technical and Vocational University
3 Department of Civil Engineerin, Ahar Branch, Islamic Azad University - Ahar - Iran
چکیده [English]

Local energy loss is one of the basic design parameters of underground aqueducts or culverts. So far, numerous studies have been performed in this regard, and several formulas have been developed to predict the local energy loss coefficient. Previous studies have shown that the energy loss coefficient is a parameter dependent on the hydraulic variables of the flow and culvert geometry. However, due to the uncertainty in the phenomenon, the existing relationships have not led to comprehensive and accurate results. In this study, several models were developed by considering different input parameters by using experimental data to predict the local energy loss coefficient in slope-tapered culverts and the efficiency of the intelligent method of Gaussian Process Regression (GPR) as a kernel-based approach was evaluated. The results were compared with Gene Expression Programming (GEP) method. Also, for determining the effect of input variables, sensitivity analysis was performed. The results proved the high efficiency of the method used in the research in estimating the energy loss coefficient. The results of GPR modeling showed that the model with input parameters of Froude number (Fr), ratio of water depth to culvert diameter (Hw/D), and reducer length (Lr) is the superior model. In this case, the evaluation criteria values for the test data series were obtained as CC=0.85, DC=0.799 and RMSE=0.2. Also, by performing sensitivity analysis, it was observed that Froude number has the most impact on the local loss coefficient and could cause a significant increment in model efficiency. The use of the Froude number increased the accuracy of modeling by almost 40%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Energy loss coefficient
  • GEP
  • Kernel-based approach
  • Sloped culvert
اسدی، ف.، فضل اولی، ر. و عمادی، ع. 1395. مطالعه آزمایشگاهی استهلاک انرژی و طول پرش هیدرولیکی در شرایط بستر زبر با بلوک­های مکعبی در پایین‌دست دریچه کشویی. نشریه آبیاری و زهکشی ایران. 11(4): 597-608.
ASCE, Task Committee on Application of Artificial Neural Networks in Hydrology. 2000. Artificial Neural Networks in hydrology. I: Preliminary concepts. Hydrologic Engineering, ASCE. 5(2): 115-123.
Ferreira, C. 2004. Gene expression programming and the evolution of computer programs. Recent Developments in Biologically Inspired Computing. 82-103.
Ferreria, C. 2001. Gene expression programming: a new adaptive algorithm for solving problems. Complex Systems. 13(2):87-129.
Graziano, F., Martin, B., Stein, S. and Umbrell, E. 2001a. South Dakota culvert inlet design coefficients (No. FHWA-RD-01-076). Turner-Fairbank Highway Research Center.
Graziano, F., Martin, B., Stein, S. and Umbrell, E. 2001b. Hydraulics of Iowa DOT slope-tapered pipe culverts (No. FHWA-RD-01-077). Turner-Fairbank Highway Research Center.
Habibzadeh, A., Rajaratnam, N. 2016. Turbulent Jet Approach to Predict Expansion Head Loss at Submerged Outlets. Journal of Hydraulic Engineering. 142(10): 601-611.
Jones, J. S., Kerenyi, K. and Stein, S. 2006. Effects of inlet geometry on hydraulic performance of box culverts (No. FHWA-HRT-06-138). United States. Federal Highway Administration. Office of Infrastructure Research and Development.
Malone, T. R., Parr, A. D. 2008. Bend losses in rectangular culverts (No. K-TRAN: KU-05-5). Kansas. Dept. of Transportation
Roushangar, K., Matin, G. N., Ghasempour, R., and Saghebian, S. M. 2019. Evaluation of the effective parameters on energy losses of rectangular and circular culverts via kernel-based approaches. Journal of Hydroinformatics. 21(6):1014-1029.
Roushangar, K., Mehrabani, F.V. and Shiri, J. 2014. Modeling river total bed material load discharge using artificial intelligence approaches (based on conceptual inputs). Journal of Hydrology. 514: 114-122.
Roushangar, K., Valizadeh, R. and Ghasempour, R. 2017. Estimation of hydraulic jump characteristics of channels with sudden diverging side walls via SVM. Water Science and Technology. 76(7): 1614-1628.
Siviapragasam, C., Liong, S. 2001. Rainfall and runoff forcasting with SSA-SVM approach. Journal   of Hydroinformation. 3: 141-152.
Tullis, B. P. 2012. Hydraulic loss coefficients for culverts (Vol. 734). Transportation Research Board.
Tullis, B. P. and Robinson, S. C. 2008. Quantifying culvert exit loss. Journal of irrigation and drainage engineering. 134(2): 263-266