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

ایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

»M. Scمهندسی عمران «

گرایش: سازه های هیدرولیکی

‌عنوان:

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

با فرمت قابل ویرایش word

تعداد صفحات: 90  صفحه

تکه های از متن به عنوان نمونه :

  فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                                                    صفحه

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

فصل اول: مبانی و کلیات تحقیق

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

1-2- بیان مسئله  تحقیق…………………………………………………………………………………………………………….. 4

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

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

1-5- فرضیه های تحقیق……………………………………………………………………………………………………………… 12

1-6- سوالات تحقیق…………………………………………………………………………………………………………………….. 12

1-7- اهداف تحقیق………………………………………………………………………………………………………………………. 13

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

1-9- جنبه نوآوری تحقیق…………………………………………………………………………………………………………… 13

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

1-11- ساختار تحقیق…………………………………………………………………………………………………………………… 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

2-6- سوابق تحقیق در زمینه مدلسازی سرریز سدها………………………………………………………………… 25

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

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

فصل سوم: مواد و روش های تحقیق

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

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

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

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

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

3-6- ساختار مدل شبیه سازی با استفاده 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 تحقیق………………………………………………………………………………. 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 شود. در تحقیق حاضر با استفاده 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 شود و پس از آن با استفاده از الگوریتم نزدیکترین همسایگی و نرم افزاری مدلسازی مربوط اقدام به توسعه مدل پیش بینی می شود و در نهایت با استفاده از شاخصهای اماری ضریب همبستگی، ضریب حساسیت، متوسط مربعات خطا و خطای مطلق دقت مدل تهیه شده بررسی می شود و با ازمونهای گرافیکی و نموداری دقت ان بررسی می شود. برای تهیه پایگاه داده های مورد نیاز تحقیق از مدل WS77 استفاده شده است و پس از اینکه پایگاه داده های تحقیق تهیه شد اقدام به مدلسازی به روش نزدیکترین همسایگی شده و مشاهده شد که روش نزدیکترین همسایگی در این زمینه دقت مطلوبی دارد. با توجه به دقت مطلوب روش نزدیکترین همسایگی در برآورد خسارت کاویتاسیون با نظر به اینکه پیش بینی خسارت ناشی از  پدیده کاویتاسیون در سرریز سدها و استفاده از معادلات ریاضی مشکل است و تا حدی غیر ممکن است و استفاده از این روش تا حد مطلوبی به این مشکل کمک خواهد کرد است و با استفاده از این روش در سدها تا حد بسیار زیادی این مشکل را میتوان برطرف کردتوصیه میشود استفاده از الگوریتم نزدیکترین همسایگی چون بهترین و دقیقترین و مطلوبترین روش در حل این مشکل (برآورد خسارت ناشی از پدیده کاویتاسیون) میباشد در تمامی سدها مورد استفاده قرار گیرد چون خواه یا ناخواه این خطردر اکثر سدها  وجود دارد.

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 توجه به کمبود آب قابل شرب، اهمیت این سازه افزایش یافته است. 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 توجه به 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 استفاده می­شود که سرریز[3] از مهمترین آنها می­باشد. به دلیل ارتفاع بسیار زیاد جریان و در نتیجه سرعت بالای آن که ممکن است باعث تولید فشار کمتر از فشار بخار آب و باعث ایجاد کاویتاسیون[4] شود، توجه ویژه به پدیده کاویتاسیون در سرریزها لازم می­باشد (زندی و همکاران، 1389).

سالهای زیادی است که حوادث مربوط به پدیده کاویتاسیون در نقاط مختلف جهان ذهن مهندسان را به خود معطوف کرده است (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 شود و حباب های بخارآب تشکیل می شوند. به علت ورود جتهای آب به درون این حباب ها، احتمال متلاشی شدن آنها وجود دارد، و جریان حالت غیردائمی[5] پیدا می کند.

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

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

 به دلیل پیچیدگی ها و ویژگی های منحصر بفرد سازه های هیدرولیکی مانند سرریز، روش مناسبی برای طراحی هندسه ارائه نگردیده است 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] استفاده کرد.

با توجه به توسعه سریع مدل های عددی، اغلب مشاهده شده است که ترکیب روش­های عددی و تجربی می تواند منجر به بالا بردن میزان اطمینان به نتایج شود (زندی، 1384).   

1-2- بیان مسئله  تحقیق

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 شود. البته مقاومت مصالح و زمان بهره وری نیز خود تا حدودی در این عوامل پنهان هستند(زندی، 1384).

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

 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 است مطابق شرابط بهره برداری مختلف و دبی های طراحی با دوره بازگشت مختلف مدیریت شود. و بنابراین مشاهده می شود که برآورد ریسک کاویتاسیون در سرریزها با استفاده از مدلهای ریاضیات کلاسیک مشکل است و لازم است از مدلهای جدیدتر مبتنی بر داده کاوی استفاده شود (قوچانی، 1385).

لی و هوپس(1996) با استفاده از منطق فازی[17] مدلی برای بررسی رفتار سرریزها در شرایط بهره برداری مختلف ارائه نمودند. در تحقیق حاضر سعی می شود با استفاده از تکنیک جدید مدلسازی مبتنی بر نزدیکترین همسایگی[18] شاخص ریسک کاویتاسون در سرریزها براورد شده و مدلی بدین منظور تهیه شود.

به منظور توسعه مدل موردنظر با بررسی شرایط مختلف، تاثیر پارمترهای هیدرولیکی مختلفی همچون شاخص کاویتاسیون، سرعت، زمان و مقاومت و شرایط هیدرولیکی مختلف بررسی خواهد شد. روند کلی کار بر اساس نتایج گزارشات آسیب کاویتاسیون در سرریز سد شهید عباسپور است و قابلیت مدل مبتنی بر نزدیکترین همسایگی در این زمینه مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

1-3- اهمیت و لزوم انجام تحقیق

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 نحوه گردآوری اطلاعات، خطاهای معمول مشاهداتی، تعاریف متفاوت از ریسک کاویتاسیون می باشد و این موارد از مهمترین پارامترهای متعدد دخیل در این پدیده است.

 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 شود که این مسئله باعث تولید حباب در جریان و خوردگی بدنه سرریز سدها شده و در مواردی باعث تخریب کامل سرریز و خسارت شدید به آن می شود 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 است. ایشان با توجه به 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 توجه به 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 شد. برای ورودی های فشار هیدرواستاتیکی جهت جریان با توجه به توسعه یافتگی جریان بصورت گرادیان صفر مشخص گردید. خروجی مسئله در این تحقیق بصورت فشار هیدرواستاتیکی معرفی شد.

بهمراه تعداد رفرنس بالا

و.....