طراحی هدفمند زاویه جام پرتابی مثلثی و عرض سرریز شوت با استفاده از الگوریتم ژنتیک

نویسندگان
1 کارشناس ارشد مهندسی عمران ، و محیط زیست دانشگاه تربیت مدرس
2 کارشناس ارشد مهندسی برق، و مخابرات دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
3 استاد دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست و پژوهشکده مهندسی آب، دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
عمده ضوابط طراحی هیدرولیکی جام‌های پرتابی متکی بر روش‌های تحلیلی و تجربی بدست آمده از مدل‌های هیدرولیکی می‌باشد. با توجه اهمیت سرریزها در ایمنی سدها، این سازه‌ها بایستی سازه‌ای قوی، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شوند. زاویه جام مثلثی یکی از پارامتر‌های اساسی در طراحی جام محسوب می‌شود؛ چرا که میزان فشار دینامیکی بر روی جام، طول جت خروجی از جام، میزان استهلاک انرژی و عمق آبشستگی و غیره متاثر از این پارامتر می‌باشند. در تحقیق حاضر به منظور افزایش راندمان سرریز، با به کارگیری روش بهینه سازی ژنتیک سعی در طراحی بهینه زاویه انحراف جام مثلثی و عرض سرریز تنداب شده است. برای دست‌یابی به اهداف مذکور ابتدا ، روابطی که توسط حجتی در سال 1392 برای ارتفاع معادل فشار دینامیکی بر روی جام، طول جت خروجی از جام و عمق آبشستگی معرفی شده است، به عنوان پارامتر‌های تابع هدف مورد استفاده قرار گرفته‌اند. سپس وزن‌های مربوط به پارامتر‌های تابع هدف با استفاده از اطلاعات مربوط به سرریز سد کارون 3 کالیبره شده و درنهایت زاویه جام مثلثی و عرض سرریز شوت به کمک الگوریتم بهینه سازی ژنتیک طراحی شده است. با در نظر گرفتن پارامتر‌های طراحی سرریز سد کارون 3، میزان عرض سرریز تنداب و زاویه جام مثلثی طراحی شده به کمک الگوریتم ژنتیک بترتیب 4/17 متر و 30 درجه و اختلاف آن‌ها با سرریز تنداب و زاویه جام مثلثی سرریز سد کارون 3 بترتیب 16% و 0% بدست آمده است که نشان می‌دهد الگوریتم ژنتیک پتانسیل بالایی برای طراحی پارامتر‌های ذکر شده دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

The purposeful design of triangular flip bucket angle and width of the spillway chute using genetic algorithm

نویسندگان English

seyed hami hojjati 1
seyed hani hojjati 2
Seyed Ali Akbar Salehi Neyshabouri 3
3 Prof., Faculty of Civil and Environmental Eng. and Water Eng. Research Center, Tarbiat Modares University
چکیده English

The criteria for hydraulic design of flip buckets are based on the analytical and experimental methods obtained from physical models. Due to the importance of spillways in the safety of dams, these structures should be secure and highly efficient. In the present study, in order to increase the efficiency of the spillway, it has been attempted to optimally design wide- triangular flip bucket angle and chute spillway by applying genetic optimization method. To achieve the aforementioned objectives, firstly, the equations derived for dynamic pressure head on the flip bucket, the exit jet length, and scour depth have been used as the parameters of objective function (Hojjati, 1392). Thereafter, the weights of objective function parameters have been calibrated using data related to the spillway of Karoon 3 dam, and eventually triangular flip bucket angle and chute spillway have been designed with the help of genetic optimization algorithm. Taking into consideration the design parameters of Karoon 3 spillway, the spillway length and angle of triangular flip bucket were obtain as 17.4 meters and 30 degrees, respectively by means of genetic algorithm. However, their difference with , the spillway length and angle of triangular flip bucket of Karoon 3 dam has been obtained as 16% and 0%, respectively wich indicates that the genetic algorithm enjoys high potential for designing the aforementioned parameters. The width of downstream and deflector angle have been obtained 3.6 meters and 30 degrees, respectively with 70% decrease of discharge, 45.4% increase of Froude number, and consistency of the weights of objective function and flip bucket height. Also by assuming the weight constant, increasing Froude number and decreasing the width of spillway, the flow rate increases and results in the increase of the parameters used in the objective function. With the design parameters of Karoon 3 dam remaining constant and the significant increase of weights associated with the parameters of pressure and scour depth independently of each other; spillway width was designed very largely which is not cost-effective. As well, with the design parameters of Karoon 3 dam remaining constant and the decrease of weights associated with the exit jet length in a way that all the three parameters can be viewed equally effective in minimizing the objective function, maximum dynamic pressure and scour depth have been reduced as much as 7% and 16%, respectively; however, the jet length has undergone a reduction of 12% and its width has undergone an increase of 38% which is not fully desirable. As a result, the weight reduction of jet length is not cost effective due to the slight change of scour depth and the maximum increase of pressure on the flip bucket and also the big increase of spillway width. Therefore, it seems preferable that the effect of jet range parameter outweigh the other two parameters because increasing the jet range results in the further depreciation of flow energy which is the main focus of the ski jump dissipator construction.

کلیدواژه‌ها English

triangular flip bucket
chute spillway
ski jump
genetic algorithm
1] Vischer, D. L., and Hager, W. H. "Energy dissipators." IAHR Hydr. Struct. Des. Manual 9, Balkema, Rotterdam, The Netherlands., 1995.
[2] Rhone, T., and Peterka, A.  "Improved tunnel spillway flip buckets." Journal of the Hydraulics Division, 85(12), 1959,  53-76.
[3] Balloffet, A. "Pressures on spillway flip buckets". J. Hydr. Div., ASCE, 87(5), 1961, 87–98
[4] Tiochun, C., and Sheng, Y. "Pressure distribution on spillway flip buckets." Journal of The Hydraulics Division, ASCE 91, 1965.
[5] Lenau, C. W., and Cassidy., J. J.  "Flow through spillway flip bucket." Journal of Hydraulics Division, ASCE 95, 1969.
 [6] Juon, R., and Hager, W. H. "Flip bucket without and with deflectors." . Journal of Hydraulic Engineering, 126(11), 2000, 837-845.
[7] Heller, V., Hager, W. H., and Minor, H.-E. "Ski jump hydraulics." J. Hydraul. Eng., 131(5), 2005, 347–355.
 [8] Steiner R, Heller V, Hager WH, and Minor, HE. "Deflector ski jump hydraulics. " Journal of Hydraulic Engineering, 134(5), 2008, 562-571.
.[9] Pfister, M. "Schussrinnenbelüfter: Lufttransport ausgelöst durch interne Abflussstruktur (Chuteaerators: Air transport due to internal flow features)." Laboratory of Hydraulic, Hydrology and Glaciology (VAW), H.-E. Minor, ed. ETH: Zurich (in German(, 2008.


 
[10]  قلمبر؛ فاطمه؛ "شبیه­سازی عددی جریان دوفازی روی جام های پرتابی"؛ پایان­نامه کارشناسی­ارشد، دانشگاه شیراز، 1390.
 [11] Pfister, M. "Jet impact angle on chute downstream of aerator. Proc, 4th IAHR Int, Symp, on Hydraulic Structures, 2012.
[12] حجتی، سید حامی."بررسی عددی هیدرولیک جریان جام پرتابی مثلثی"، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تربیت مدرس،1392.
[13] Azamathulla H. MD., Ghani A. AB., Zakaria N. A., Lai S. H., Chang C. K., Leow C. S., and Abuhasan Z. "Genetic programming to predict ski-jump bucket spill-way scour." Journal of Hydrodynamics, Ser. B 20.4, 2008, 477-484.
[14] Goldberg, D. E. "Genetic algorithm." Search, Optimization and Machine Learning, 1989, 343-349.
[15]  مرکز تحقیقات آب ." گزارش نهایی مدل هیدرولیکی جامع سد مخزنی کارون 3". نشریه شماره 164، 1371.
 [16] Sen, P. "Spillway scour and design of plunge pool." Water and Energy International 41.1, 1984, 51-68.
[17] Goldberg, D. E. "Genetic algorithm." Search, Optimization and Machine Learning: 1989, 343-349..