تدوین مدلی برای کاربرد در برآورد خسارت کاویتاسیون در سرریزهای روگذر سدها به روش نزدیکترین همسایگی

 استاد راهنما:

دکتر علی حیدری

 استاد مشاور:

دکتر بهادر مرغوب

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)

  فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                                    صفحه

چکیده ……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 1

فصل اول: مبانی و کلیات پژوهش

1-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………. 3

1-2- اظهار مسئله  پژوهش…………………………………………………………………………………………………………….. 4

1-3- اهمیت و لزوم انجام پژوهش……………………………………………………………………………………………….. 5

1-4- کاویتاسیون در سریز سد شهید عباسپور…………………………………………………………………………… 5

1-5- فرضیه های پژوهش……………………………………………………………………………………………………………… 12

1-6- سوالات پژوهش…………………………………………………………………………………………………………………….. 12

1-7- اهداف پژوهش………………………………………………………………………………………………………………………. 13

1-8- کاربردهای متصور از پژوهش……………………………………………………………………………………………….. 13

1-9- جنبه نوآوری پژوهش…………………………………………………………………………………………………………… 13

1-10- مواد و روشهای پژوهش……………………………………………………………………………………………………… 13

1-11- ساختار پژوهش…………………………………………………………………………………………………………………… 13

فصل دوم: مبانی نظری و پیشینه پژوهش

2-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………. 16

2-2- کاویتاسیون چیست؟…………………………………………………………………………………………………………… 16

2-3- فاکتورهای موثر در پدیده کاویتاسیون :…………………………………………………………………………….. 18

2-4- شاخص کاویتاسیون…………………………………………………………………………………………………………….. 18

2-5- سوابق پژوهش مرتبط با کاویتاسیون…………………………………………………………………………………. 19
دانلود متن کامل در سایت sabzfile.com
2-6- سوابق پژوهش در زمینه مدلسازی سرریز سدها………………………………………………………………… 25

2-7- سوابق مطالعات عددی در زمینه کاویتاسیون سرریز………………………………………………………… 29

2-8- سوابق پژوهش در زمینه الگوریتم نزدیکترین همسایه……………………………………………………… 36

فصل سوم: مواد و روش های پژوهش

3-1- مقدمه:…………………………………………………………………………………………………………………………………… 42

3-2- سرریز سد شهید عباسپور و آسیب در آن………………………………………………………………………… 42

3-3-گزارش و طریقه آسیب سرریز کارون 1…………………………………………………………………………………. 45

3-4-سازوکار محتمل آسیب…………………………………………………………………………………………………………. 48

3-5- الگوریتم نزدیکترین همسایه………………………………………………………………………………………………. 51

3-6- ساختار مدل شبیه سازی با بهره گیری از الگوریتم –k نزدیکترین همسایه ……………………… 51

فصل چهارم: تجزیه و تحلیل نتایج

4-1-مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………….. 54

4-2- تهیه پایگاه داده های مورد نیاز…………………………………………………………………………………………… 54

4-3- تولید پایگاه داده های موردنیاز پژوهش………………………………………………………………………………. 58

4-4- توسعه مدل نزدیکترین همسایگی……………………………………………………………………………………… 62

4-5- توسعه مدل نزدیکترین همسایگی……………………………………………………………………………………… 63

4-6- مراحل مدلسازی در XLMiner…………………………………………………………………………………………. 63

4-7- نتایج مدل نزدیکترین همسایگی در طول تاج سرریز سد عباسپور…………………………………. 65

فصل پنجم: جمع بندی و پیشنهادها

نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………………………. 71

منابع………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 72

 

چکیده

  سرعت کاویتاسیون و شاخص کاویتاسیون که خود ترکیبی از سرعت و فشار جریان می­باشند، پارامترهای مهم موثر در آسیب شناخته شده­اند تا روندی جدید و متفاوت از روش شاخص کاویتاسیون بحرانی در تخمین آسیب سنجیده گردد. در پژوهش حاضر با بهره گیری از مبانی هیدرولیکی مربوط به کاویتاسیون در سرریز سدها و نیز مطالعات انجام شده توسط محققین یک سری داده مربوطه تهیه شده و سپس شاخص ریسک کاویتاسیون محاسبه می گردد و پس از آن با بهره گیری از الگوریتم نزدیکترین همسایگی و نرم افزاری مدلسازی مربوط اقدام به توسعه مدل پیش بینی می گردد و در نهایت با بهره گیری از شاخصهای اماری ضریب همبستگی، ضریب حساسیت، متوسط مربعات خطا و خطای مطلق دقت مدل تهیه شده مطالعه می گردد و با ازمونهای گرافیکی و نموداری دقت ان مطالعه می گردد. برای تهیه پایگاه داده های مورد نیاز پژوهش از مدل WS77 بهره گیری شده می باشد و پس از اینکه پایگاه داده های پژوهش تهیه گردید اقدام به مدلسازی به روش نزدیکترین همسایگی شده و نظاره گردید که روش نزدیکترین همسایگی در این زمینه دقت مطلوبی دارد. با در نظر داشتن دقت مطلوب روش نزدیکترین همسایگی در برآورد خسارت کاویتاسیون با نظر به اینکه پیش بینی خسارت ناشی از  پدیده کاویتاسیون در سرریز سدها و بهره گیری از معادلات ریاضی مشکل می باشد و تا حدی غیر ممکن می باشد و بهره گیری از این روش تا حد مطلوبی به این مشکل کمک خواهد نمود می باشد و با بهره گیری از این روش در سدها تا حد بسیار زیادی این مشکل را میتوان برطرف کردتوصیه میشود بهره گیری از الگوریتم نزدیکترین همسایگی زیرا بهترین و دقیقترین و مطلوبترین روش در حل این مشکل (برآورد خسارت ناشی از پدیده کاویتاسیون) میباشد در تمامی سدها مورد بهره گیری قرار گیرد زیرا خواه یا ناخواه این خطردر اکثر سدها  هست.

واژه های کلیدی: شاخص کاویتاسیون، سرعت کاویتاسیون، روش نزدیکترین همسایگی، نرم افزار ws77،

 1-1- مقدمه

سدها از سازه­های پر اهمیت برای حفظ آبهای جاری بر سطح زمین و کنترل و
بهره­برداری از آنها می­باشد. امروزه به دلیل افزایش جمعیت و نیازهای جدید جوامع بشری و با در نظر داشتن کمبود آب قابل شرب، اهمیت این سازه افزایش یافته می باشد. بطوریکه سدها بعنوان اهرم استراتژیکی توسعه و قدرت یک کشور محسوب می­شوند. علاوه بر اینها، دارای کاربری مهم  دیگری یعنی مهار سیلاب[1] و جلوگیری از خطرات ناشی از آن می­ باشند و البته خود سدها نیز می­توانند در صورت عدم در نظر داشتن آنها و نگهداری نامناسب به عنوان خطر محسوب شوند.

 برای مقابله با خطرات احتمالی و برای تخلیه[2]  ایمن و سریع دبی­های بزرگ پیش­بینی شده و خطرات پیش­بینی نشده در سازه سد، از چندین نوع تخلیه کننده سیلاب بهره گیری می­گردد که سرریز[3] از مهمترین آنها می­باشد. به دلیل ارتفاع بسیار زیاد جریان و در نتیجه سرعت بالای آن که ممکن می باشد باعث تولید فشار کمتر از فشار بخار آب و باعث ایجاد کاویتاسیون[4] گردد، توجه ویژه به پدیده کاویتاسیون در سرریزها لازم می­باشد (زندی و همکاران، 1389).

سالهای زیادی می باشد که حوادث مربوط به پدیده کاویتاسیون در نقاط مختلف جهان ذهن مهندسان را به خود معطوف کرده می باشد (زندی و اژدری، 1389).  کاویتاسیون به دلیل شتاب گرفتن سیال روی بدنه جسم، و افت فشار آن به زیر فشار بخار، در نواحی خاصی از جریان، اتفاق می افتد. در این نواحی، آب به بخار تبدیل می گردد و حباب های بخارآب تشکیل می شوند. به علت ورود جتهای آب به درون این حباب ها، احتمال متلاشی شدن آنها هست، و جریان حالت غیردائمی[5] پیدا می کند.

کاویتاسیون ممکن می باشد به صورت جزیی روی بدنه جسم ایجاد گردد و یا اینکه در مقایسه با ابعاد جسم، بسیار بزرگ گردد (نوروزی و همکاران، 1389).

در طراحی سازه­های هیدرولیکی مسائلی مطرح می باشد که حل آنها تنها با تئوری و روابط تحلیلی[6] امکان­پذیر نمی­باشد. به دلیل پیچیده بودن معادلات جریان نمی توان تنها با بهره گیری از تئوری، رفتار نمونه اصلی[7] را پیش بینی نمود (زندی، 1384) و لازم می باشد از مدلهای عددی[8] و یا مدلسازی مبتنی بر روشهای داده کاوی[9] بهره گیری نمود. مانند این مسائل می­توان به پدیده کاویتاسیون در سرریز سدها و اثرات مخرب آن و خسارات حاصله از خوردگی کاویتاسیون تصریح نمود.

 به دلیل پیچیدگی ها و ویژگی های منحصر بفرد سازه های هیدرولیکی مانند سرریز، روش مناسبی برای طراحی هندسه ارائه نگردیده می باشد و می توان برای حصول اطمینان از عملکرد مناسب این سازه ها از مدل های هیدرولیکی و یا مدلهای عددی و همچنین مدلهای مبنی بر پایگاه داده ها[10] و  محاسبات آماری[11] بهره گیری نمود.

با در نظر داشتن توسعه سریع مدل های عددی، اغلب نظاره شده می باشد که ترکیب روش­های عددی و تجربی می تواند منجر به بالا بردن اندازه اطمینان به نتایج گردد (زندی، 1384).   

1-2- اظهار مسئله  پژوهش

سرعت کاویتاسیون[12] و شاخص کاویتاسیون[13] که خود ترکیبی از سرعت و فشار جریان می­باشند، پارامترهای مهم موثر در آسیب[14] شناخته شده­اند تا روندی جدید و متفاوت از روش شاخص کاویتاسیون بحرانی[15] در تخمین آسیب سنجیده گردد. البته مقاومت مصالح و زمان بهره وری نیز خود تا حدودی در این عوامل پنهان هستند(زندی، 1384).

در روشهای کلاسیک انتخاب شاخص کاویتاسون(si) حتی برای یک سازه خاص با داده های داده شده برای خسارت و عملکرد و ساخت آن نامشخص می باشد. طریقه آسیب کاویتاسیون بسیار پیچیده می باشد. عوامل زیادی بر کاویتاسون تاثیر گذار بوده و اندرکنش[16] این عوامل نا شناخته می باشد.

 هنگامی که شرایط بهره برداری تغییر کند سطح و گسترش آسیب نیز تغییر می کند. سطح آسیب در هر ناحیه ای به خصوصیات مقاومت مصالح، روش های ساختمانی، عملکرد سرریز و به مهارتهای ساخت و اجرای سازه بستگی دارد که با نوع سرریز، زمان و جریانهای بهره برداری تغییر می کند و لازم می باشد مطابق شرابط بهره برداری مختلف و دبی های طراحی با دوره بازگشت مختلف مدیریت گردد. و پس نظاره می گردد که برآورد ریسک کاویتاسیون در سرریزها با بهره گیری از مدلهای ریاضیات کلاسیک مشکل می باشد و لازم می باشد از مدلهای جدیدتر مبتنی بر داده کاوی بهره گیری گردد (قوچانی، 1385).

لی و هوپس(1996) با بهره گیری از منطق فازی[17] مدلی برای مطالعه رفتار سرریزها در شرایط بهره برداری مختلف ارائه نمودند. در پژوهش حاضر کوشش می گردد با بهره گیری از تکنیک جدید مدلسازی مبتنی بر نزدیکترین همسایگی[18] شاخص ریسک کاویتاسون در سرریزها براورد شده و مدلی بدین مقصود تهیه گردد.

به مقصود توسعه مدل موردنظر با مطالعه شرایط مختلف، تاثیر پارمترهای هیدرولیکی مختلفی همچون شاخص کاویتاسیون، سرعت، زمان و مقاومت و شرایط هیدرولیکی مختلف مطالعه خواهد گردید. طریقه کلی کار بر اساس نتایج گزارشات آسیب کاویتاسیون در سرریز سد شهید عباسپور می باشد و قابلیت مدل مبتنی بر نزدیکترین همسایگی در این زمینه مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.

1-3- اهمیت و لزوم انجام پژوهش

پیچیدگی آسیب کاویتاسون در سرریز سدها بدلیل شرایط متفاوت طرح، ساخت و بهره برداری، مشکل بودن پیش بینی، اشکالات اجرائی در زمان ساخت، تولید و چگونگی گردآوری اطلاعات، خطاهای معمول مشاهداتی، تعاریف متفاوت از ریسک کاویتاسیون می باشد و این موردها از مهمترین پارامترهای متعدد دخیل در این پدیده می باشد.

 شاخص ریسک کاویتاسون، سرعت جریان، مقاومت سطحی مصالح، زمان بهره وری و محتوی هوای جریان نیز متغیرهای موثر قابل ذکر بر مسئله می باشند که باعث پیچیدگی آن
می شوند. در سرریزهای سدها بعلت بالا رفتن سرعت جریان، فشار پائین آمده و از فشار بخار سیال کمتر می گردد که این مسئله باعث تولید حباب در جریان و خوردگی بدنه سرریز سدها شده و در مورد هایی باعث تخریب کامل سرریز و خسارت شدید به آن می گردد که در مهندسی سد و بهره برداری از سرریزها اهمیت کاربردی ویژه ای دارد.

1-4- کاویتاسیون در سریز سد شهید عباسپور

زندی و همکاران (1389) به مطالعه کاویتاسیون با مدلسازی عددی در سرریز سد شهید عباسپور پرداخته اند که جزئیاتی در این قسمت ارائه شده می باشد. ایشان با در نظر داشتن جریان دوفازی و شرایط فیزیکی مسئله و سرعت ناچیز آب پشت سد بصورت فشار هیدرواستاتیک و با دادن تابع (تابع منشور فشار) بعنوان فشار نسبی با در نظر داشتن ارتفاع هیدرولیکی آب در ورودی دامنه، معرفی نمودند. برای شبیه سازی اغتشاش در مرزهای ورودی، مقادیر واقعی و داده های مربوط به k و ε در دسترس نیست و در این برنامه با روابط تقریبی موجود اجرا گردید. برای ورودی های فشار هیدرواستاتیکی جهت جریان با در نظر داشتن توسعه یافتگی جریان بصورت گرادیان صفر مشخص گردید. خروجی مسئله در این پژوهش بصورت فشار هیدرواستاتیکی معرفی گردید.

شکل 1-1- دامنه حل و شرایط مرزی مسئله (زندی و همکاران، 1389)

برای سنجیدن توانایی مدلسازی در یافتن سطح آب، جریان عبوری در یک کانال افقی و بر روی یک مانع نیم دایره مطالعه گردید. این مانع از ترکیب سیمان-گچ که در کف فلومی مستطیل شکل افقی با عرض 250 میلیمتر و عمق 130 میلیمتر قرار دارد، ساخته گردید. 

شکل 1-2- نمای مش منتخب نهایی مسئله (زندی و همکاران، 1389)

 شکل1-3- جریان عبوری از مانع نیم استوانه با شعاع 30 میلیمتر نظاره آزمایشگاهی (زندی و همکاران، 1389)

شکل 1-4- پروفیل سطح و منحنی اندازه سرعت آب در جریان عبوری مدلسازی شده با α = 0.5 (زندی و همکاران، 1389)

شکل 5 بنابر انتظار فیزیکی از مسئله مدل گردید. در شکل 6 نقاط کم فشار بر سرریز در قسمت ابتدای اوجی و قسمت تغییر شیب تنداب مشخص می باشد. ناحیه پرفشار بر سرریز در قسمت جام پرتابی قرار دارد.

در شکل 7 بیشترین فشار در کل دامنه حل، در کف مخزن سد بصورت هیدرواستاتیک و کمترین آن بعد از جام پرتابی و زیر پرتابه جریان آب قرار دارد. در شکل 8 سرعت جریان در مخزن سد برابر با صفر یا نزدیک به آن می باشد. جریان با رسیدن به آغاز اوجی سرریز و تاج سرریز سرعت گرفته و به اندازه حداکثر خود در قسمت انتهای تنداب، جام پرتابی و در پرتابه جریان می رسد. بعد از پرتابه و در پایاب سرعت به یک حالت یکنواخت اما زیاد می رسد.

شکل 1-5- سطح آب شبیه سازی شده برای دبی حداکثر محتمل (زندی و همکاران، 1389)

 

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه ارشد : بررسی آزمایشگاهی تاثیر عرض و ارتفاع زبری­های ممتد مثلثی شکل بر مشخصات پرش هیدرولیکی در حوضچه­های آرامش افقی

شکل 1-6- فشار دامنه حل در دبی محتمل حداکثر (زندی و همکاران، 1389)

  شکل 1-7- سرعت در دامنه حل برای دبی حداکثر محتمل (زندی و همکاران، 1389)

شکل 1-8- فشار کل دامنه حل و همچنین قسمت های کم فشار در دبی 700 مترمکعب بر ثانیه (زندی و همکاران، 1389)

 

طبق شبیه سازی های صورت گرفته توسط زندی برای سه دبی  700، 1160 و 5400 نتایج شاخص کاویتاسون طبق شکلهای 9 تا 11 بدست آمده می باشد.

شکل 1-9- شاخص کاویتاسیون برای دبی 700 مترمکعب بر ثانیه (زندی و همکاران، 1389)

شکل 1-10- شاخص کاویتاسیون برای دبی 1160 مترمکعب بر ثانیه (زندی و همکاران، 1389)

شکل 1-11- شاخص کاویتاسیون برای دبی 5400 مترمکعب بر ثانیه (زندی و همکاران، 1389)

1-5- فرضیه های پژوهش

با در نظر داشتن مبانی مطرح شده در قسمتهای قبلی مهمترین فرضیات پژوهش عبارتند از:

  • سازه ها آسیب یکسانی در شرایط طرح نخواهند داشت، نظر به اینکه برنامه بهره برداری و ساخت آنها متفاوت می باشد.
  • تاثیر اندازه و خطاهای ناشی از مشاهدات مدل و پیش بینی شرایط واقعی خطاهائی را در طراحی وارد می نماید.
  • پیش بینی محل و هندسه زبری منفرد ایجاد شده که منجر به کاویتاسون می گردد مشکل می باشد.
  • خسارت کاویتاسون تابع پارمترهای مختلفی همچون شاخص کاویتاسون، سرعت جریان، مقاومت سطحی مصالح سازه، زمان بهره برداری و مقدار هوای جریان دارد.
  • مدلسازی شاخص ریسک کاویتاسون سرریز سدها با بهره گیری از مدلسازی نزدیکترین همسایگی امکان پذیر می باشد و دقت مطلوبی دارد.
  • با بهره گیری از مدلسازی نزدیکترین همسایگی می توان تاثیر پارامترهای مختلف بر شاخص کاویتاسون را مطالعه نمود.

1-6- سوالات پژوهش

مهمترین سوالات پژوهش عبارتند از:

  • شاخص ریسک کاویتاسون در سرریز سدها تابع چه پارامترها و متغیرهائی می باشد؟
  • آیا امکان توسعه مدلی برای پیش بینی شاخص ریسک کاویتاسون با بهره گیری از تکنیک مدلسازی نزدیکترین همسایگی هست؟
  • دقت روش نزدیکترین همسایگی در پیش بینی شاخص ریسک کاویتاسون سرریزها چگونه می باشد؟
  • تاثیر شرایط بهره برداری و متغیرهای مختلف بر شاخص ریسک کاویتاسون در مدل نزدیکترین همسایگی چگونه می باشد؟

1-7- اهداف پژوهش

مهمترین اهداف پژوهش حاضر عبارتند از:

  • مطالعه مشخصات کاویتاسون در سرریز سدها و ریسکهای مرتبط با آن
  • مطالعه روشهای براورد شاخص ریسک کاویتاسون در سرریز سدها
  • آشنائی با الگوریتم مدلسازی نزدیکترین همسایگی
  • توسعه روشی برای پیش بینی شاخص ریسک کاویتاسون با بهره گیری از نزدیکترین همسایگی
  • کاربرد مدل تهیه گردید در سرریز سد شهیدعباسپور
  • جستجو در سایت :   

1-8- کاربردهای متصور از پژوهش

با در نظر داشتن اینکه هدف اصلی پژوهش حاضر ارائه مدلی برای تخمین شاخص ریسک کاویتاسیون می باشد، در نهایت در موردها زیر می­توان از نتایج و روش انجام پژوهش بهره گیری نمود:

  • وزارت نیرو
  • شرکتهای بهره برداری از سدها و سرریزهای آنها
  • شرکتهای مشاور در طراحی سریز سدها

1-9- جنبه نوآوری پژوهش

تاکنون برای مطالعه شاخص ریسک کاویتاسون از مدلسازی فیزیکی و عددی بهره گیری شده می باشد و بهره گیری از تکنیک مدلسازی نزدیکترین همسایگی در این زمینه کاملا جدید به شمار می رود.

1-10- مواد و روشهای پژوهش

در پژوهش حاضر با بهره گیری از مبانی هیدرولیکی مربوط به کاویتاسیون در سرریز سدها و نیز مطالعات انجام شده توسط محققین یک سری داده مربوطه تهیه شده و سپس شاخص ریسک کاویتاسیون محاسبه می گردد و پس از آن با بهره گیری از الگوریتم نزدیکترین همسایگی و نرم افزاری مدلسازی مربوط اقدام به توسعه مدل پیش بینی می گردد و در نهایت با بهره گیری از شاخصهای آماری ضریب همبستگی[19]، ضریب حساسیت[20]، متوسط مربعات خطا[21] و خطای مطلق[22] دقت مدل تهیه شده مطالعه می گردد و با آزمونهای گرافیکی و نموداری دقت آن مطالعه می گردد.

1-11- ساختار پژوهش

برای دستیابی به اهداف فوق، گزارش این پژوهش در پنج فصل بشرح زیر تدوین
می گردد. در فصل اول تحت عنوان”کلیات” به اظهار کلیات پژوهش شامل تعریف مسئله، اظهار ضرورت و اهداف پژوهش پرداخته شده می باشد. در فصل دوم تحت عنوان “ادبیات پژوهش و سابیه پژوهش” پیشینه پژوهش با مطالعه منابع حاصل از جستجو در مورد بانکهای اطلاعاتی مختصرا ارائه خواهد گردید و جایگاه پژوهش حاضر در بین آنها معرفی می گردد. در فصل سوم تحت عنوان “مواد و روشها” متدولوژی انجام کار مشتمل بر روش جمع­آوری اطلاعات و مراحل توسعه مدل نزدیکترین همسایه و جزئیات روش انجام پژوهش بطور کامل ارائه خواهد گردید و در فصل چهارم نحن عنوان “واکاوی نتایج پژوهش” تجزیه و تحلیل اطلاعات گردآوری شده و نیز نتایج مدلسازی صورت گرفته در تخمین شاخص ریسک کاویتاسیون در سدها ارائه می­گردد و بحث در مورد دقت مدل پیشنهادی و کاربردهای آن ارائه می گردد. در نهایت در فصل پنجم تحت عنوان “نتیجه گیری و پیشنهاد” جمع­بندی کلی پژوهش مربوط به بحث و نتیجه گیری و پیشنهادات می باشد و در انتهای منابع مورد بهره گیری درج خواهد گردید.

دسته‌ها: عمران