پایان نامه تخمین آبشستگی در پائین دست جت ریزشی با استفاده از شبكه عصبی

پایان نامه تخمین آبشستگی در پائین دست جت ریزشی با استفاده از شبكه عصبی

چكیده  

جت های ریزشی در اثر عبور آب روی سازه های هیدرولیكی (سازه هایی چون سرریز وكالورت ) بوجود می آیند. محل برخورد جت با بستر به یك كاهنده انرژی جریان تبدیل شده و حفره آبشستگی شكل می گیرد. این پدیده باعث ناپایداری كل یا قسمتی از سازه می شود. فرآیند آبشستگی در خروجی كالورت به عوامل متعددی چون جنس خاك، دبی، شعاع هیدرولیكی، ارتفاع ریزش، عمق پایاب، شیب كالورت و مهمتر از همه زمان وابسته است. از این رو سعی شد از رابطه ای استفاده شود كه اثر توأم پارامترهای فوق را نشان دهد.

 هر چند تحقیقات بسیاری در خصوص نقش پارامتر زمان در فرایند تشكیل حفره آبشستگی صورت گرفته، ولی در خصوص چگونگی تأثیر آن و اینكه تا چه حد در این فرایند مؤثر است، تا كنون نتایج قابل توجهی حاصل نشده است. در این تحقیق پارامترهای موثر بر ابعاد حفره آبشستگی در دو بخش كلی بررسی شده و جهت برآورد شبكه عصبی مناسبی برای ایجاد رابطه غیر خطی  كه ابعاد آبشستگی را بر اساس پارامترهای مختلف هیدرولیكی ارائه شده است. برای ایجاد رابطه مناسب و طراحی شبكه عصبی از روش ^FF با الگوریتم آموزش ^BP استفاده شده است.   بخش اول ، پارامترها به صورت بعد دار و بی بعد  در شبكه عصبی در محیط ^MATLAB  مدل شده است. در حالت بی بعد روابط ارائه شده توسط شبكه عصبی با روابط مدل رگرسیونی بدست آمده، مقایسه گردید. در بخش بعدی روابط در دو حالت خاص (پارامترهای رابطه ^DOT  و  رابطه اصلاحی^DOT توسط مهدوی زاده ) ارئه گردید.  

مقدمه

آبشستگی هرچند سابقه طولانی در علم هیدرولیك دارد ولی به علت دامنه وسیع متغیرها و  گستردگی پارامتر های موثر بر آن و شرایط گوناگون كه در این پدیده وجود دارد ، تا كنون رابطه دقیقی كه بتواند تخمین مناسبی از ابعاد حفره آبشستگی بدهد در دسترس نمی باشد ومطالعه در این مورد همچنان مورد توجه محققین این علم است. 

پیش بینی ابعاد حفره آبشستگی  پائین دست سازه های كنترل یكی از مهمترین و مشكل ترین مراحل در طراحی فونداسیون این سازه ها است. طراحی بایستی با توجه به ابعاد حفره ایجاد شده بصورتی باشد كه احتمال شكست و واژگونی سازه حداقل گردد.  

فصل اول :

این فصل شامل مقدمه و هدف از تحقیق حاضر می باشد و اطلاعات كلی را در مورد پایان نامه بیان  می كند. 

فصل دوم: 

این فصل مروری بر مطالعات انجام شده می باشد كه به بررسی پارامترهای مؤثر در فرآیند تشكیل حفره آبشستگی در پائین دست جت ریزشی بر اساس تحقیقات انجام شده پرداخته شده است. 

فصل سوم: 

در این فصل مبانی اساسی شبكه عصبی بیان شده و به نحـوه مـدل كـردن شـبكه عصـبی در محـیطMATLAB پرداخته شده است.  

فصل چهارم: 

در این فصل به نحوه مطالعات آزمایشگاهی كه اطلاعات آن مورد استفاده قرار گرفته پرداختـه شـده وهمچنین فرمولهای تجربی و تحقیقات آزمایشگاهی كه در این تحقیق اسـتفاده شـده ، ارائـه گردیـده  است. 

فصل پنجم : 

در این فصل به بررسی شبكه عصبی مصنوعی و كابرد آن در پیش بینی حفره آبشستگی ناشی از جت های ریزشی و تجزیه و تحلیل نتایج ناشی از آن پرداخته شده و همچنین روابط بدست آمده از شـبكهعصبی ارئه گردیده است.  

فصل ششم : 

در این فصل به اختصار نتایج نهایی حاصل از انجـام ایـن تحقیـق مطالعـه انجـام شـده بیـان شـد ه و پیشنهاداتی در این زمینه در جهت ادامه كار ارائه شده است.  

قسمتی از متن

دیاگرام شیلدز :

شیلدز اولین كسی بود كه مطالعات بنیادی برای یافتن رابطه ای در آسـتانه حركـت ذرات انجـام داد.

وی با نموداری كه ارائه داد ابزاری جهت استفاده طراحان فراهم آورد تا نسبت به پایدرای كانالهـای  خاكی و رودخانه ای اظهار نظر نمایند.

دیاگرام گسلر  

مطالعات گسلر در رابطه با شروع حركت ذره نشان داد كه خط نشان دهنده آستانه حركت در دیاگرام شیلدز بخصوص برای حالت جریان كاملا متلاطم و بستر زبر باید مقداری اصلاح گردد.   

تئوری وایت  

وایت تنها نیرویی را كه باعث غلتیدن ذره می شود،  نیروی رانش و نیروی مقاوم در مقابـل حركـت رانیروی وزن اشباع ذره فرض كرد. 

روش كالینسكی  

نكته مهی كه كالینسكی ابراز داشته،  این است كـه در نزیكـی ذره،  تـنش برشـی متناسـب اسـت بـامجذور سرعت در نزدیكی ذره است.  

فهرست مطالب

چكیده ................................................................................................................................................................................. 1

مقدمه .................................................................................................................................................................................. 2

فصل اول : تعریف مسئله و هدف از انجام پایان نامه   

1- 1-  فرسایش و مفهوم آستانه حركت .............................................................................................................................. 4

1- 2-  فرآیندهای آبشستگی ................................................................................................................................................ 6

1- 2- 1-  آبشستگی در جلوی اپی ها .................................................................................................................................. 6

1- 2- 2-  آبشستگی در  خروجی كالورت ها ....................................................................................................................... 7

1- 2- 3-  آبشستگی در  پائین دست سازه های هیدرولیكی كوتاه ..................................................................................... 7

1- 3- جت ها و سرریزهای نوع سقوط آزاد ......................................................................................................................... 7

1- 4-  اهمیت آبشستگی در جت ریزشی ............................................................................................................................ 9

1- 5-  اهداف تحقیق حاضر .............................................................................................................................................. 10 

فصل دوم : مروری بر مطالعات انجام شده  

مقدمه ............................................................................................................................................................................... 11

2- 1- نتایج محققین قبلی ............................................................................................................................................... 11

2- 1- 1- تاثیر عمق پایاب ................................................................................................................................................ 14

2- 1- 2- تاثیر قطر ذره رسوب( d50)ودانه بندی آن .................................................................................................... 17

2- 1- 3 تاثیر نوع خاك ..................................................................................................................................................... 18

2- 1- 4-  تأثیر دبی یا سرعت جریان جت خروجی ......................................................................................................... 20

2- 1- 5 تاثیر ارتفاع ریزش ............................................................................................................................................... 24

2- 1- 6  تاثیر زاویه جت ................................................................................................................................................... 30

2- 1- 7  تاثیر اختلاف چگالی ........................................................................................................................................... 32

2- 1- 8-  تاثیر ابعاد و شكل جت ...................................................................................................................................... 32

2- 1- 9-  تأثیر شیب كالورت ............................................................................................................................................ 37

2- 1- 10 تاثیر هوای ورودی به جت در میزان آبشستگی ................................................................................................ 38

2- 1- 11-  تا ثیر زمان بر میزان آبشستگی ...................................................................................................................... 39

2 2 تخمین آبشستگی بوسیله شبكه عصبی مصنوعی .................................................................................................41

2 3 جمع بندی ............................................................................................................................................................. 45

فصل سوم : شبكه های عصبی مصنوعی و مبانی آن  

مقدمه..............................................................................................................................................................................................46

3- 1-  شبكه های عصبی مصنوعی ....................................................................................................................................46

3- 1- 1-  مزایا و محدودیت های شبكه های عصبی......................................................................................................... 47

3- 1- 2-   مغز انسان ......................................................................................................................................................... 50

3- 1- 3-  هوش مصنوعی وشبكه های عصبی ................................................................................................................... 51

3- 1- 4-  اجزای یك شبكة عصبی ..................................................................................................................................... 52

3- 1- 4- 1-  ورودی ها ....................................................................................................................................................... 52

3- 1- 4- 2-  بردار وزن ....................................................................................................................................................... 53

3- 1- 4- 3-  تابع جمع ...................................................................................................................................................... 53

3- 1- 4- 4-  تابع تبدیل یا تحریك .................................................................................................................................... 53

3- 1- 4- 5-  خروجی ......................................................................................................................................................... 55

3- 1- 5-  معماری های شبكه ............................................................................................................................................56

3- 1- 6-  فرآیند یادگیری  .............................................................................................................................................60

3- 2-  وارد كردن ورودی ها در محیط MATLAB ......................................................................................................63

3- 3-  مدیریت داده ها و  شبكه عصبی مورد نظر ............................................................................................................63

3- 4-  ساختن شبكه جدید ...............................................................................................................................................64

3- 4- 1 مشخص كردن نوع شبكه .....................................................................................................................................64

3- 4- 2-  مشخص كردن تابع آموزش ................................................................................................................................ 66

3- 4- 3-  مشخص كردن تابع یاد گیری ............................................................................................................................68

3- 4- 4-  مشخص كردن تابع اجرا .....................................................................................................................................68

3- 4- 5-  مشخص كردن تعداد لایه ها ..............................................................................................................................69

3- 4- 6-  مشخص كردن تعداد نرونها ................................................................................................................................69

3- 4- 7-  مشخص كردن توابع انتقال ................................................................................................................................69

3 5 مقدار دهی اولیه توسط شبكه (Initializing Weight) ..................................................................................71

3 6 شبیه سازی توسط شبكه (Simulate (Sim)) ................................................................................................. 71

3 7 آموزش شبكه ......................................................................................................................................................... 72

3 8 به روز كردن اطلاعات ............................................................................................................................................ 73

3 9 بدست آوردن وزنها و بیاسهای جدید .................................................................................................................... 74

فصل چهارم : شرح مدلهای مورد بررسی 

مقدمه ................................................................................................................................................................................ 75

4- 1-  مدل اول (پارامترهای بعددار) ................................................................................................................................. 75

4- 2-   مدل دوم (پارامترهای بی بعد) .............................................................................................................................. 76

4- 3-  مدل سوم (پارامترهای معادله DOT) ................................................................................................................... 76

4- 3- 1-   هندسه حفره آبشستگی .................................................................................................................................... 78

4- 3- 2-  زمان آبشستگی ................................................................................................................................................... 78

4- 3- 3-  دیواره های اطراف ......................................................................................................... 79

4- 3- 4-  ارتفاع سقوط ....................................................................................................................................................... 79

4- 3- 5-  شیب ................................................................................................................................................................... 79

4- 4-  مدل چهارم (معادله DOT كه توسط مهدوی زاده ضرائب آن اصلاح شده) ....................................................... 80

4- 4- 1-  تجهیزات و مشخصات مدل آزمایشگاهی ........................................................................................................... 81

4- 4- 2- مشخصات تجهیزات آزمایشگاهی ....................................................................................................................... 81

4- 4- 2- 1-  فلوم ............................................................................................................................................................... 81

4- 4- 2- 2-  كالورتهای خروجی ......................................................................................................................................... 81

4- 4- 2- 3-  روش اندازه گیری دبی در مقاطع مورد نظر ................................................................................................. 82

4- 4- 2- 4-   دستگاه ژرفا سنج نقطه ای ........................................................................................................................... 82

4- 4- 2- 5-   تعیین مدت زمان آزمایش ............................................................................................................................ 82

4- 4- 2- 6-  مصالح مورد استفاده  در آزمایش .................................................................................................................. 83

4- 4- 3-  شرایط هیدرولیكی جریان .................................................................................................................................. 83

فصل پنجم : مقایسه مدلهای مورد بررسی و ارائه روابط 

مقدمه ................................................................................................................................................................................ 86 و

5 1 مراحل تعیین شبكه بهینه جهت مدل كردن .........................................................................................................86

5 2 پردازش اولیه داده ها ............................................................................................................................................... 87

5 3 مشخصات شبكه ...................................................................................................................................................... 88

5 4 شاخص های صحت سنجی .................................................................................................................................... 88

5 5 تعداد نرونها لایه پنهان ........................................................................................................................................... 89

5- 6-  مدل اول (پارامترهای بعد دار ) ............................................................................................................................... 91

5- 6- 1-  ورودی های مسئله و محدوده داده ها ............................................................................................................... 91

5- 6- 1- 1-  ارائه رابطه جهت تخمین عمق آبشستگی ...................................................................................................... 91

5- 6- 1- 2-  ارائه رابطه جهت تخمین طول آبشستگی ..................................................................................................... 93

5- 6- 1- 3-  ارائه رابطه جهت تخمین عرض آبشستگی.................................................................................................... 95

5- 7-  مدل دوم (پارامترهای بی بعد) ............................................................................................................................... 97

5- 7- 1-  ورودی های مسئله و محدوده داده ها با د رنظر گرفتن كل پارامترهای آنالیز شده ......................................... 97

5- 7- 1- 1-  ارائه رابطه جهت تخمین عمق آبشستگی ...................................................................................................... 98

5- 7- 1- 2-  ارائه رابطه جهت تخمین طول آبشستگی ...................................................................................................... 99

5- 7-1- 3-  ارائه رابطه جهت تخمین عرض آبشستگی ................................................................................................. 101

5- 7- 2- ورودی های مسئله و محدوده داده ها با د رنظر گرفتن دبی و شعاع هیدرولیكی و زمان .............................. 102

5- 7- 2- 1-  ارائه رابطه جهت تخمین عمق آبشستگی ................................................................................................... 103

5- 7- 2- 2-  ارائه رابطه جهت تخمین طول آبشستگی ................................................................................................... 103

5- 7- 2- 3-  ارائه رابطه جهت تخمین عرض آبشستگی ................................................................................................. 104

5- 7- 3-   ورودی های مسئله و محدوده داده ها با د رنظر گرفتن دبی،  شعاع هیدرولیكی،  ارتفاع ریزش و عمق پایاب105

5- 7- 3- 1-  ارائه رابطه جهت تخمین عمق آبشستگی ................................................................................................... 105

5- 7- 3- 2-  ارائه رابطه جهت تخمین طول آبشستگی .................................................................................................... 106

5- 7- 3- 3-  ارائه رابطه جهت تخمین عرض آبشستگی ................................................................................................. 107

5- 7- 4-  مدل رگرسیونی ............................................................................................................................................... 108

5- 8-  مدل سوم (پارامترهای رابطه DOT) .................................................................................................................. 109 

5- 8-  1-  ورودی های مسئله و محدوده داده ها با د رنظر گرفتن كل پارامترهای آنالیز شده ..................................... 109 

5 8 2-  ارائه رابطه جهت تخمین عمق آبشستگی .......................................................................................................110

5 8 3-  ارائه رابطه جهت تخمین طول آبشستگی ....................................................................................................... 111

5 8 4-  ارائه رابطه جهت تخمین عرض آبشستگی ...................................................................................................... 113

5 9 مدل چهارم (پارامترهای اصلاح شده  رابطه DOT توسط مهدوی زاده) .......................................................... 115

5 9 1-  ورودی های مسئله و محدوده داده ها با د رنظر گرفتن كل پارامترهای آنالیز شده ...................................... 115

5- 9- 1- 1-  ارائه رابطه جهت تخمین عمق آبشستگی .................................................................................................... 116

5- 9- 1- 2-  ارائه رابطه جهت تخمین طول آبشستگی ................................................................................................... 118

5- 9- 1- 3-  ارائه رابطه جهت تخمین عرض آبشستگی ................................................................................................. 120

فصل ششم : نتایج و پیشنهادات   

مقدمه ............................................................................................................................................................................. 122

6- 1 نتایج ....................................................................................................................................................................... 122

6- 1- 1-  ارائه رابطه جهت تخمین عمق آبشستگی ........................................................................................................ 126

6- 1- 2-  ارائه رابطه جهت تخمین طول آبشستگی ....................................................................................................... 127

6- 1- 3-  ارائه رابطه جهت تخمین عرض آبشستگی ...................................................................................................... 128

6- 2- پیشنهادات ............................................................................................................................................................ 129

منابع و ماخذ :

فهرست منابع فارسی ...................................................................................................................................................... 130

فهرست منابع لاتین ....................................................................................................................................................... 131

چكیده انگلیسی .............................................................................................................................................................. 135