محاسبه گرادیان هیدرولیکی درون مصالح زهکشی غیر همگن افقی با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی آب و سازه‌های هیدرولیکی، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه

2 دانشیار گروه مهندسی عمران دانشگاه زنجان، زنجان

چکیده

تحلیل جریان ماندگار درون مصالح سنگریزه‌ای با استفاده از دو روش تئوری جریان‌های متغیر تدریجی که جریان را به‌صورت یک بعدی تحلیل می‌کند و حل معادله پارکین که جریان را به‌صورت دو بعدی تحلیل می‌نماید، انجام می‌شود. محاسبه گرادیان هیدرولیکی (i) در هر دو روش اهمیت بالایی دارد. اغلب پژوهش‌های انجام شده در این زمینه در محیط‌های سنگریزه‌ای همگن انجام شده و بررسی‌های محدودی در زمینه جریان در محیط‌های سنگریزه‌ای غیر همگن صورت گرفته‌است. در این تحقیق، از نتایج آزمایش‌های موجود در محیط سنگریزه‌ای همگن و غیر همگن افقی که سه لایه مصالح با اندازه ذرات درشت، متوسط و ریزدانه بر روی هم قرار گرفته‌اند، استفاده شده‌است. در داده‌های آزمایشگاهی استفاده شده در پژوهش حاضر، تغییرات گرادیان هیدرولیکی نسبت به سرعت جریان در هر یک از سه لایه همگن، به‌صورت جداگانه و متفاوت در دسترس بوده و هم‌چنین تغییرات مذکور در محیط غیر همگن افقی متشکل از سه لایه نیز به‌صورت جداگانه در دسترس بوده‌است. با توجه به اینکه جهت تشکیل محیط غیر همگن افقی، لایه‌های همگن درشت، متوسط و ریز به ترتیب بر روی یکدیگر قرار گرفته‌اند، در راهکار ارائه شده در پژوهش حاضر نیز داده‌های جریان ماندگار محیط همگن با همان ترتیب در الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO) جهت بهینه‌یابی ضرایب رابطه دوجمله‌ای (a, b) و به تبع آن محاسبه گرادیان هیدرولیکی قرار داده شده‌اند. به‌عبارت دیگر، در پژوهش حاضر مقادیر مربوط به ضرایب a, b معادل در محیط سنگریزه‌ای غیر همگن افقی با توجه به نحوه قرارگیری لایه‌های همگن بر روی یکدیگر و فقط با استفاده از داده‌های جریان ماندگار در محیط همگن (درشت دانه، متوسط و ریز دانه) بهینه‌یابی شده‌ و نتایج بیانگر آن است که، اختلاف میانگین خطای نسبی (MRE) راهکار ارائه شده در پژوهش حاضر نسبت به شرایطی که از داده‌های جریان در محیط غیر همگن افقی به‌طور مستقیم جهت محاسبه ضرایب a, b و به تبع آن گرادیان هیدرولیکی استفاده شود، برابر با 38/1 درصد می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Calculation of Hydraulic Gradient within Horizontal Heterogeneous Drainage Materials Using Particle Swarm Optimization (PSO) Algorithm

نویسندگان [English]

  • Hadi Norouzi 1
  • Jalal Bazargan 2
1 PhD Student of Hydraulic Structures, Department of Civil Engineering, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
2 Associate Professor, Department of Civil Engineering, Zanjan University, Zanjan, Iran
چکیده [English]

The analysis of steady-state flow within rockfill materials is performed using two methods of gradually varied flow theory that analyzes the flow as one-dimensional and the Parkin equation that analyzes the flow as two-dimensional. The calculation of the hydraulic gradient (i) is of great importance in both methods. Most of the research in this area has been done in homogeneous rockfill materials and limited studies have been carried out on the flow in heterogeneous rockfill materials. In this study, we used the results of experiments in homogeneous and horizontal heterogeneous rockfill materials with three layers of aggregates with large, medium and small size. In the experimental data used in the present study, changes in hydraulic gradient relative to the flow velocity in each of the three homogeneous layers were available separately and also the changes in the horizontal heterogeneous media consisting of three layers were available separately. Due to the fact that in order to form a horizontal heterogeneous rockfill media, large, medium, and small homogeneous layers are placed on top of each other, respectively, in the approach presented in the present study, the data of the steady flow of homogeneous media are placed in the same order in the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm to optimize the coefficients of the binomial equation (a, b) and consequently the calculation of hydraulic gradient. In other words, in the present study, the values of the coefficients a, b, equivalent to the horizontal heterogeneous media, depending on how the homogeneous layers are placed on top of each other and only using the data of steady flow in the homogeneous media (large, medium and small size) Optimized. The results show that the difference of mean relative error (MRE) the approach presented in the present study than conditions where flow data in a horizontal heterogeneous media are directly used to calculate the coefficients a and b and consequently the hydraulic gradient, is 1.38 percent.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Horizontal Heterogeneous Drainage Materials
  • Hydraulic Gradient
  • Particle Swarm Optimization (PSO) Algorithm
  • Steady Flow

مراجع

بازرگان، ج.، و بیات، ح.، 1381. تعیین ضرایب معادله غیر خطی جریان در پی‌های آبرفتی درشت دانه. نشریه استقلال. 21(1): 101-112.
بازرگان، ج.، و شعاعی، م. 1389. تحلیل جریان‌های غیر دارسی در مصالح سنگریزه‌ای با استفاده از تئوری جریان‌های متغیر تدریجی. نشریه مهندسی عمران و نقشه‌برداری.‏ 44(2): 131-139.
حسنوند، ک.، و محمدولی سامانی، ج. 1398. تعیین ضریب آب گذری معادل در سدهای پاره سنگی دو لایه افقی و دو لایه عمودی. علوم و مهندسی آبیاری. 42(3): 75-88.
Ahmed, N. and Sunada, D. K. 1969. Nonlinear flow in porous media. Journal of the Hydraulics Division, 95(6): 1847-1858.‏
Arbhabhirama, A. and Dinoy, A.A. 1973. Friction factor and Reynolds number in porous media flow. Journal of the Hydraulics Division. ASCE. 99(6): 901-915.
Asiaban, P., Amiri Tokaldany, E., and Tahmasebi Nasab, M. 2015. Simulation of water Surface profile in vertically stratified rockfill dams. International Journal of Environmental Research. 9(4):1193-1200.
Bari, R. and Hansen, D. 2002. Application of gradually-varied flow algorithms to simulate buried streams. Journal of Hydraulic Research. 40(6): 673-683.
Di Cesare, N. Chamoret, D. and Domaszewski, M. 2015. A new hybrid PSO algorithm based on a stochastic Markov chain model. Advances in Engineering Software. 90: 127-137.
Di Nucci, C. 2018. Unsteady free surface flow in porous media: One-dimensional model equations including vertical effects and seepage face. Comptes Rendus Mécanique. 346(5): 366-383.
Eberhart, R. and Kennedy, J. 1995. A new optimizer using particle swarm theory. In MHS'95. Proceedings of the Sixth International Symposium on Micro Machine and Human Science (pp. 39-43). IEEE.‏
Ergun, S. 1952. Fluid Flow through Packed Columns. Chemical Engineering Progress. 48: 89–94.
Forchheimer, P. 1901. Wasserbewagung Drunch Boden, Z.Ver, Deutsh. Ing., 45: 1782-1788.
Hansen, D., Garga, V.K., and Townsend, D.R. 1995. Selection and application of a one-dimensional non-Darcy flow equation for two-dimensional flow through rockfill embankments. Canadian Geotechnical Journal. 32(2): 223-232.‏
Hosseini, S.M. 1997. Development of an unsteady non-linear model for flow through coarse porous media. Ph. D. Thesis. Dissertation University of Guelph. Canada.
Hosseini, S.M. and Joy, D.M. 2007. Development of an unsteady model for flow through coarse heterogeneous porous media applicable to valley fills. International Journal of River Basin Management. 5(4): 253-265.
Leps, T.M. 1973. Flow through rockfill, Embankment-dam engineering casagrande volume edited by Hirschfeld, RC and Poulos, SJ.‏
McWhorter, D.B., Sunada, D.K. and Sunada, D.K. 1977. Ground-water hydrology and hydraulics. Water Resources Publication.‏LLC. U.S.Library.
Sadeghian, J. Khayat Kholghi, M. Horfar, A. and Bazargan, J. 2013. Comparison of binomial and power equations in radial non-darcy flows in coarse porous media. Journal of Water Sciences Research. 5(1): 65-75.‏
Scheidegger, A. E. 1958. The physics of flow through porous media. Soil Science. 86(6): 355.‏
Sedghi-Asl, M. and Ansari, I. 2016. Adoption of extended dupuit–Forchheimer assumptions to non-darcy flow problems. Transport in Porous Media. 113(3): 457-469.
Stephenson, D.J. 1979. Rockfill in hydraulic engineering. Elsevier scientific publishing compani.‏ Distributors for the United States and Canada.
Sidiropoulou, M.G., Moutsopoulos, K.N., and Tsihrintzis, V.A. 2007. Determination of Forchheimer equation coefficients a and b. Hydrological Processes: An International Journal. 21(4): 534-554.
Shi, Y. and Eberhart, R. 1998. A modified particle swarm optimizer. In 1998 IEEE international conference on evolutionary computation proceedings. IEEE world congress on computational intelligence (Cat. No. 98TH8360) (pp. 69-73). IEEE.‏
Ward, J.C. 1964. Turbulent flow in porous media. Journal of the hydraulics division. 90(5): 1-12.‏
نشریه آبیاری و زهکشی ایران
دوره 14، شماره 4 - شماره پیاپی 82
مهر و آبان 1399
صفحه 1152-1163

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار