استخراج رابطه دبی فلوم با گلوگاه مثلثی با استفاده از نظریه خود تشابهی ناقص

محورهای موضوعی : علوم آب

حسین سلطانی کاظمی ^{1 *} , محسن سلیمانی بابرصاد ² , محمدحسین پورمحمدی ³ , حسین اسلامی ⁴ , حسین قربانی زاده خرازی ⁵

1 -
2 - عضو هیات علمی گروه آبیاری دانشگاه آزاد اسلامی واحد شوشتر
3 - گروه آب دانشگاه شوشتر
4 - 4- گروه مهندسی آب، مرکز تحقیقات علوم آب و محیط زیست، واحد شوشتر، دانشگاه آزاد اسلامی، شوشتر، ایران.
5 - 5- گروه مهندسی آب، مرکز تحقیقات علوم آب و محیط زیست، واحد شوشتر، دانشگاه آزاد اسلامی، شوشتر، ایران.

تاریخ دریافت : 1403/04/13 تاریخ پذیرش : 1403/05/25 تاریخ انتشار : 1403/06/28

کلید واژه: اندازه¬گیری جریان, جریان آزاد, مدلسازی آزمایشگاهی, خود تشابهی ناقص,

چکیده مقاله :

فلوم¬ها مانند سرریزها و روزنه¬ها یکی از ساختارهای اندازه¬گیری جریان در مجاری باز مبتنی بر مقطع کنترل هستند. هدف از این تحقیق تعیین رابطه دبی برای فلوم با گلوگاه مثلثی با استفاده از مدلسازی آزمایشگاهی است. آزمایش¬های این تحقیق در یک کانال آزمایشگاهی به طول 20 متر، عرض 6/0 متر و عمق 5/0 متر در آزمایشگاه هیدرولیک سازمان آب و برق خوزستان انجام شد. در مجموع 101 آزمایش برای 4 مدل فلوم با گلوگاه مثلثی با ارتفاع¬های 20، 25، 30 و 35 سانتی¬متر در طیفی از دبی¬های جریان بین 39/3 و 378/55 لیتر بر ثانیه انجام شد. برای استخراج رابطه کلی دبی در فلوم با گلوگاه مثلثی در ابتدا با استفاده از تجزیه و تحلیل ابعادی یک رابطه کلی استخراج شد. سپس با استفاده از اصل خود تشابهی ناقص رابطه استخراج شده ساده¬تر شد. با استفاده از یک پیش¬پردازش مشخص شد که نسبت Q⁄√(gB^5 ) سازگاری بهتری با فلوم مورد مطالعه دارد. در نهایت با استفاده از رگرسیون چند متغیره غیرخطی، رابطه کلی ارائه شده به فرم ریاضی تبدیل شد. مقدار ضریب تبین این رابطه 98/0، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) 0026/0 و میانگین درصد خطای مطلق (MAPE) 0021/0 است.

چکیده انگلیسی:

Flumes, like weirs and orifices, are one of the flow measurement structures in open channels based on the control section. This research uses experimental modeling to determine the flow rate relationship for a flume with a triangular throat. The experiments of this research were carried out in a laboratory channel with a length of 20 m, a width of 0.6 m, and a depth of 0.5 m in the hydraulic laboratory of Khuzestan Water and Electricity Organization. A total of 101 tests were performed for four flume models with triangular throats with heights of 20, 25, 30, and 35 cm in a range of flow rates between 3.39 and 55.378 L/s. A general relation was first extracted using dimensional analysis for the triangular throat flume’s discharge. Then, using the principle of incomplete self-similarity, the extracted relation became simpler. By using pre-processing, it was found that Q⁄√(gB^5 ) ratio has better compatibility with the studied flume. Finally, non-linear multivariate regression transformed the general relationship into a mathematical form. This relationship's R2, RMSE, and MAPE values are 0.98, 0.0026, and 0.0021, respectively.

منابع و مأخذ:

[1] Potter, M. C., Wiggert, D. C., and Ramadan, B. H. 2012. Mechanics of fluids SI version. Cengage learning.
[2] White, F. M. 1990. Fluid mechanics. New York.
[3] Fathi-moghaddam, M., Sadrabadi, M. T., and Rahmanshahi, M. 2018. Numerical simulation of the hydraulic performance of triangular and trapezoidal gabion weirs in free flow condition. Flow Measurement and Instrumentation, 62, 93-104. 963-971.
[4] Doustkam, M., Rahmanshahi, M., Fathi-Moghadam, M., Keramat, A., and Duan, H. F. 2024. Experimental Study on the Hydraulic Performance of Porous Broad-Crested Weirs with Sloping Crests. Water Resources Management, 1-20.
[5] Rahmanshahi, M., Jafari-Asl, J., Fathi-Moghadam, M., Ohadi, S., and Mirjalili, S. 2023. Metaheuristic learning algorithms for accurate prediction of hydraulic performance of porous embankment weirs. Applied Soft Computing, 111150.
[6] Blaisdell, F. W. 1994. Results of Parshall flume tests. Journal of irrigation and drainage engineering, 120(2), 278-291.
[7] Khosronejad, A., Herb, W., Sotiropoulos, F., Kang, S., and Yang, X. 2021. Assessment of Parshall flumes for discharge measurement of open-channel flows: A comparative numerical and field case study. Measurement, 167, 108292.
[8] Khastar-Borujeni, M., and Samadi-Borujeni, H. 2012. Research Note Hydraulic Flow Characteristics in Rotating Flume using the Acoustic Doppler Velocimeter (ADV). Journal of Hydraulics, 7(2), 77-85.
[9] Carollo, F. G., Di Stefano, C., Ferro, V., and Pampalone, V. 2016. New stage-discharge equation for the SMBF flume. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 142(5), 04016005.
[10] Skogerboe, G. V., Bennett, R. S., and Walker, W. R. 1972. Generalized discharge relations for cutthroat flumes. Journal of the Irrigation and Drainage Division, 98(4), 569-583.
[11] Yarahmadi, N., and Vatankhah, A. R. 2021. Experimental study on rectangular cut-throated flume: Effects of flume walls slopes and channel longitudinal slope. Flow Measurement and Instrumentation, 79, 101919.
[12] Vatankhah, A. R., and Mahdavi, A. 2012. Simplified procedure for design of long-throated flumes and weirs. Flow Measurement and instrumentation, 26, 79-84.
[13] Ferro, V. 2016. Simple flume with a central baffle. Flow Measurement and Instrumentation, 52, 53-56.
[14] Samani, Z., and Magallanez, H. 2000. Simple flume for flow measurement in open channel. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 126(2), 127-129.
[15] Kolavani, F. L., Bijankhan, M., Di Stefano, C., Ferro, V., and Mazdeh, A. M. 2018. Flow measurement using circular portable flume. Flow Measurement and Instrumentation, 62, 76-83.
[16] Bijankhan, M., and Ferro, V. 2019. Experimental study on triangular central baffle flume. Flow Measurement and Instrumentation, 70, 101641.
[17] Vatankhah, A. R. 2021. Discussion of “Cylindrical Central Baffle Flume for Flow Measurement in Open Channels” By Aniruddha D. Ghare, Ankur Kapoor, and Avinash M. Badar. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 147(7), 07021010.
[18] Vatankhah, A. R. 2017. Discussion of “New Stage-Discharge Equation for the SMBF Flume” by Francesco Giuseppe Carollo, Costanza Di Stefano, Vito Ferro, and Vincenzo Pampalone. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 143(8), 07017011.
[19] Aminpour, Y., Vatankhah, A. R., and Farhoudi, J. 2020. Experimental modeling of flumes with two semi-cylinder contractions (free and submerged flows). Flow Measurement and Instrumentation, 76, 101844.
[20] Aali, F., and Vatankhah, A. R. 2023. Experimental study of simple flumes with trapezoidal contraction. Flow Measurement and Instrumentation, 90, 102328.
[22] Barenblatt, G. I. 1987. Dimensional analysis. CRC Press.
[23] Rahmanshahi, M., and Shafai Bejestan, M. 2020. Gene-expression programming approach for development of a mathematical model of energy dissipation on block ramps. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 146(2), 04019033.
[24] Azimi, A. H., Rajaratnam, N., and Zhu, D. Z. 2014. Submerged flows over rectangular weirs of finite crest length. Journal of irrigation and drainage Engineering, 140(5), 06014001.
[24] Rahmanshahi, M., Jafari-Asl, J., Shafai Bejestan, M., and Mirjalili, S. 2023. A Hybrid Model for Predicting the Energy Dissipation on the Block Ramp Hydraulic Structures. Water Resources Management, 37(8), 3187-3209.