وبلاگ

سدها از سازه­های پر اهمیت برای حفظ آبهای جاری بر سطح زمین و کنترل و
بهره ­برداری 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 پیش ­بینی شده و خطرات پیش ­بینی نشده در سازه سد، از چندین نوع تخلیه کننده سیلاب استفاده می­ شود 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).  كاویتاسیون 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 تشكیل 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 كند.
كاویتاسیون ممكن است به صورت جزیی روی بدنه جسم ایجاد شود و یا اینكه 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] امکان­ پذیر نمی ­باشد. به دلیل پیچیده بودن معادلات جریان نمی توان تنها با بهره گرفتن از تئوری، رفتار نمونه اصلی[7] را پیش بینی کرد (زندی، 1384) و لازم است از مدلهای عددی[8] و یا مدلسازی مبتنی بر روش های 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 شده ­اند 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 روش های کلاسیک انتخاب شاخص کاویتاسون(si) 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 بهره گرفتن 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 بهره گرفتن از منطق فازی[17] مدلی برای بررسی رفتار سرریزها در شرایط بهره برداری مختلف ارائه نمودند. در تحقیق حاضر سعی می شود با بهره گرفتن 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.

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 بررسی شد. این مانع از ترکیب سیمان-گچ که در کف فلومی مستطیل شکل افقی با عرض 250 میلیمتر و عمق 130 میلیمتر قرار دارد، ساخته شد. 
شکل 1-2- نمای مش منتخب نهایی مسئله (زندی و همکاران، 1389)
 شکل1-3- جریان عبوری از مانع نیم استوانه با شعاع 30 میلیمتر مشاهده آزمایشگاهی (زندی و همکاران، 1389)
شکل 1-4- پروفیل سطح و منحنی میزان سرعت آب در جریان عبوری مدلسازی شده با α = 0.5 (زندی و همکاران، 1389)
شکل 5 بنابر انتظار فیزیکی از مسئله مدل شد. در شکل 6 نقاط کم فشار بر سرریز در قسمت ابتدای اوجی و قسمت تغییر شیب تنداب مشخص است. 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 است. جریان با رسیدن به آغاز اوجی سرریز و تاج سرریز سرعت گرفته و به میزان 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)
 
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 است.
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 تحقیق
با توجه به مبانی مطرح شده در قسمتهای قبلی مهمترین فرضیات تحقیق عبارتند از:

 

• سازه ها آسیب یکسانی در شرایط طرح نخواهند داشت، نظر به اینکه برنامه بهره برداری و ساخت آنها متفاوت است.

 

• 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 شود مشکل است.

 

• 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 گرفتن از مدلسازی نزدیکترین همسایگی امکان پذیر است و دقت مطلوبی دارد.

 

• با بهره گرفتن از مدلسازی نزدیکترین همسایگی می توان تاثیر پارامترهای مختلف بر شاخص کاویتاسون را بررسی نمود.

1-6- سوالات تحقیق
مهمترین سوالات تحقیق عبارتند از:

 

• شاخص ریسک کاویتاسون در سرریز سدها تابع چه پارامترها و متغیرهائی است؟

 

• آیا امکان توسعه مدلی برای پیش بینی شاخص ریسک کاویتاسون با بهره گرفتن از تکنیک مدلسازی نزدیکترین همسایگی وجود دارد؟

 

• دقت روش نزدیکترین همسایگی در پیش بینی شاخص ریسک کاویتاسون سرریزها چگونه است؟

 

• تاثیر شرایط بهره برداری و متغیرهای مختلف بر شاخص ریسک کاویتاسون در مدل نزدیکترین همسایگی چگونه است؟

1-7- اهداف تحقیق
مهمترین اهداف تحقیق حاضر عبارتند از:

 

• بررسی مشخصات کاویتاسون در سرریز سدها و ریسکهای مرتبط با آن

 

• بررسی روش های براورد شاخص ریسک کاویتاسون در سرریز سدها

 

• آشنائی با الگوریتم مدلسازی نزدیکترین همسایگی

 

• توسعه روشی برای پیش بینی شاخص ریسک کاویتاسون با بهره گرفتن از نزدیکترین همسایگی

 

• کاربرد مدل تهیه شد در سرریز سد شهیدعباسپور

1-8- کاربردهای متصور از تحقیق
با توجه به اینکه هدف اصلی تحقیق حاضر ارائه مدلی برای تخمین شاخص ریسک کاویتاسیون است، در نهایت در موارد زیر می­توان از نتایج و روش انجام تحقیق استفاده کرد:

 

• وزارت نیرو

 

• شرکتهای بهره برداری از سدها و سرریزهای آنها

 

• شرکتهای مشاور در طراحی سریز سدها

1-9- جنبه نوآوری تحقیق
تاکنون برای بررسی شاخص ریسک کاویتاسون از مدلسازی فیزیکی و عددی استفاده شده است و استفاده از تکنیک مدلسازی نزدیکترین همسایگی در این زمینه کاملا جدید محسوب می شود.
1-10- مواد و روش های تحقیق
در تحقیق حاضر با بهره گرفتن 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 بهره گرفتن از الگوریتم نزدیکترین همسایگی و نرم افزاری مدلسازی مربوط اقدام به توسعه مدل پیش بینی می شود و در نهایت با بهره گرفتن از شاخصهای آماری ضریب همبستگی[19]، ضریب حساسیت[20]، متوسط مربعات خطا[21] و خطای مطلق[22] دقت مدل تهیه شده بررسی می شود و با آزمونهای گرافیکی و نموداری دقت آن بررسی می شود.
1-11- ساختار تحقیق
برای دستیابی به اهداف فوق، گزارش این تحقیق در پنج فصل بشرح زیر تدوین
می شود. در فصل اول تحت عنوان”کلیات” به بیان کلیات تحقیق شامل تعریف مسئله، بیان ضرورت و اهداف پژوهش پرداخته شده است. در فصل دوم تحت عنوان “ادبیات پژوهش و سابیه تحقیق” پیشینه تحقیق با بررسی منابع حاصل از جستجو در مورد بانکهای اطلاعاتی مختصرا ارائه خواهد شد و جایگاه تحقیق حاضر در بین آنها معرفی می شود. 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 تحقیق بطور کامل ارائه خواهد شد و در فصل چهارم نحن عنوان “آنالیز نتایج تحقیق” 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 شود. در نهایت در فصل پنجم تحت عنوان “نتیجه گیری و پیشنهاد” جمع­بندی کلی تحقیق مربوط به بحث و نتیجه گیری و پیشنهادات می باشد و در انتهای منابع مورد استفاده درج خواهد شد.