پژوهش های کاربردی مهندسی آب

پژوهش های کاربردی مهندسی آب

مدل‌سازی ریاضی اتلاف جریان عبوری از روی سرریزهای پلکانی با استفاده از برنامه‌ریزی ژنتیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
عباس پارسائی 1
شادی نجفیان 2
1 1. گروه مهندسی سازه های آبی، دانشکده مهندسی آب و محیط زیست، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران.
2 گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه علمی و کاربردی واحد شهرداری صائین قلعه، زنجان، ایران.
10.22034/arwe.2024.2039932.1023
چکیده
سرریزهای پلکانی یکی از کارآمدترین سازه‌ها در استهلاک انرژی هستند. در این مقاله برای مدل‌سازی ریاضی اتلاف انرژی جریان عبوری از روی سرریز پلکانی از مدل برنامه‌ریزی ژنتیک استفاده شد. به‌منظور مقایسه عملکرد مدل برنامه‌ریزی ژنتیک با سایر روش‌های رایانش نرم، مدل شبکه عصبی چندلایه به‌عنوان معمول‌ترین مدل هوش مصنوعی نیز تهیه گردید. پارامترهای دخیل در برآورد بازده سرریز پلکانی در اتلاف انرژی جریان عبوری عبارت‌اند از: عدد دراپ، نسبت عمق بحرانی به ارتفاع پله‌ها، شیب سرریز، تعداد پله‌ها، نسبت ارتفاع به طول پله‌ها است. نتایج نشان داد که روش برنامه‌ریزی ژنتیک توانایی مناسبی جهت برآورد عملکرد سرریز‌های پلکانی در اتلاف انرژی دارد. شاخص‌های آماری خطای این مدل در مرحله صحت سنجی عبارت از R2=0.95 است. بررسی ساختار مدل ریاضی استخراج‌شده از روش برنامه‌ریزی ژنتیک نشان می‌دهد که پارامترهای عدد دراپ و نسبت عمق بحرانی به ارتفاع پله‌ها دارای وزن بیشتری نسبت به سایر پارامترها هستند، لذا نتیجه می‌شود که این پارامترها تأثیر بیشتری در عملکرد سازه در اتلاف انرژی دارند. مقایسه عملکرد مدل برنامه‌ریزی ژنتیک با مدل شبکه عصبی چندلایه نشان می‌دهد که عملکرد شبکه عصبی نسبت به برنامه‌ریزی ژنتیک، کمی بهتر است (R2≥0.95). نتایج آنالیز حساسیت شبکه عصبی چندلایه هم ساختار مدل ریاضی مستخرج شده از برنامه‌ریزی ژنتیک را تأیید می‌نماید.
کلیدواژه‌ها
استهلاک انرژی
برازش منحنی
سرریزهای پلکانی
عدد دراپ
عمق بحرانی

موضوعات

عنوان مقاله English

Mathematical Expression of Energy Dissipation of Flow over Stepped Spillways Using Genetic Programing

نویسندگان English

Abbas Parsaie 1
Shadi Najafian 2
1 1. Department of Hydraulic Structures Engineering, Faculty of Water and Environmental Engineering, Shahid Chamran University, Ahvaz, Iran.
2 Department of Civil Engineering, Applied Science and Technology University, Sain Qaleh branch, Zanjan, Iran.
چکیده English

Stepped spillways are affective structures for energy dissipation. In this study, to mathematical expression of effect of involved parameters on energy dissipation, a genetic programing (GP) technique was used. The GP categorized in smart function fitting methods that automatically define the most effective parameters and assigned them more weight in final model derived. Involved parameters on energy dissipation of flow are drop number, number of steps, ration of critical depth to height of steps, longitudinal slop of weir, and Froude number of flow at toe of spillways. To compare the performance of GP with other type of soft computing techniques, the multilayer perceptron neural network was developed as well. Results indicated that derived model from GP model has suitable to performance to mathematical expression of involved parameters on energy dissipation. Reviewing the structure of derived model from GP indicated that drop number and ratio of critical depth to the height of steps are the most effective parameters on energy dissipation. Comparison the performance of MLP model with GP showed that the accuracy of MLP is a bit more than the GP. Sensitivity analysis of MLP upheld the results of GP in term of effective parameters.

کلیدواژه‌ها English

Critical depth
Drop Number
Energy dissipation
Function fitting
Abu-Khashaba, M. I., Adam, I., & El-Ashaal, A. (2014). Investigating the possibility of constructing lowcost roller compacted concrete dam. Alexandria Engineering Journal, 53(1), 131-142.
Afaridegan, E., Amanian, N., Shanehsazzadeh, A., & Parsaie, A. (2024). Characteristics of flow passing over Hydrofoil Crested Stepped Spillway. Alexandria Engineering Journal, 108, 897-910.
Azamathulla, H. M. (2012). Gene expression programming for prediction of scour depth downstream of sills. Journal of Hydrology, 460, 156-159.
Azamathulla, H. M., Haghiabi, A. H., & Parsaie, A. (2016). Prediction of side weir discharge coefficient by support vector machine technique. Water Science and Technology: Water Supply, 16(4), 1002-1016.
Azamathulla, H. M., & Ghani, A. A. (2011). Genetic programming for predicting longitudinal dispersion coefficients in streams. Water resources management, 25, 1537-1544.
Boes, R. M., Chanson, H., Matos, J., Ohtsu, I., Yasuda, Y., Takahasi, M., Tatewar, S. P., Ingle, R. N., Porey, P. D., Chamani, M. R., & Rajaratnam, N. (2000). Characteristics of Skimming Flow over Stepped Spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 126(11), 860-873.
Chafi, C., Hazzab, A., & Seddini, A. (2010). Study of flow and energy dissipation in stepped spillways. Jordan Journal of civil engineering, 4(1), 1-11.
Chanson, H. (1994). Hydraulics of skimming flows over stepped channels and spillways. Journal of Hydraulic Research, 32(3), 445-460.
Chanson, H. (2002). Hydraulics of Stepped Chutes and Spillways, Taylor & Francis.
Chen, S. H. (2015). Hydraulic Structures, Springer Berlin Heidelberg.
Dah-Mardeh, A., Azizyan, G., Bejestan, M. S., Parsaie, A., & Rajaei, S. H. (2023). Experimental study of variation sediments and effective hydraulic parameters on scour downstream of stepped spillway. Water Resources Management, 37(13), 4969-4984.
Dah-Mardeh, A., Azizyan, G., Bejestan, M. S., Parsaie, A., & Rajaei, S. H. (2024). Laboratory investigation to control of downstream scour in a specific model of stepped spillway by six-legged concrete elements (A-Jack). Ocean Engineering, 304, 117815.
Felder, S., & Chanson, H. (2011). Energy dissipation down a stepped spillway with nonuniform step heights. Journal of Hydraulic Engineering, 137(11), 1543-1548.
Guenther, P., Felder, S., & Chanson, H. (2013). Flow aeration, cavity processes and energy dissipation on flat and pooled stepped spillways for embankments. Environmental fluid mechanics, 13(5), 503-525.
Karami, S., Khosrojerdi, A., & Shafai Bajestan, M. (2014). Numerical Modelling of Hydraulic Flow in Dam Stepped Spillway and Study of Cavitation Phenomenon. European Online Journal of Natural and Social Sciences: Proceedings, 3(3 (s)), pp-283.
Koza, J. R. (1992). Genetic Programming: On the Programming of Computers by Means of Natural Selection, Bradford.
Parsaie, A., Haghiabi, A. H., Saneie, M., & Torabi, H. (2016). Prediction of energy dissipation on the stepped spillway using the multivariate adaptive regression splines. ISH Journal of Hydraulic Engineering, 22(3), 281-292.
Rajaratnam, N. (1990). Skimming Flow in Stepped Spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 116(4), 587-591.
Roushangar, K., Akhgar, S., Salmasi, F., & Shiri, J. (2014). Modeling energy dissipation over stepped spillways using machine learning approaches. Journal of Hydrology, 508, 254-265.
Salmasi, F., & Özger, M. (2014). Neuro-fuzzy approach for estimating energy dissipation in skimming flow over stepped spillways. Arabian Journal for Science and Engineering, 39, 6099-6108.
Seyedian, S. M., Kisi, O., Parsaie, A., & Kashani, M. (2024). Improving the Reliability of Compound Channel Discharge Prediction Using Machine Learning Techniques and Resampling Methods. Water Resources Management, 38, 1-25.
Sorensen, R. M. (1985). Stepped spillway hydraulic model investigation. Journal of hydraulic Engineering, 111(12), 1461-1472.
 
پژوهش های کاربردی مهندسی آب
دوره 2، شماره 1
تیر 1403
صفحه 97-110

  • تاریخ دریافت 08 شهریور 1403
  • تاریخ بازنگری 22 مهر 1403
  • تاریخ پذیرش 24 مهر 1403