بهينه‌سازي شاخص‌هاي هندسي صفحه مستغرق در بستررسوبي كانال مستقيم با روش تاگوچي و GRA

Optimization of Geometric Parameters of Submerged Vane in Straight Alluvial Channel With Taguchi Method and GRA.

چكيده- صفحات مستغرق، سازه هايي هستند كه در بستر رودخانه ها و كانال ها با زاويه اي در برابر جريان نصب مي‌شوند. اين سازه ها معمولاً به‌صورت گروهي استفاده مي شوند و كاركرد اصلي آن‌ها ايجاد جريان گردابي و تغيير الگوي جريان و بستر است. كاركرد صفحات مستغرق تحت تاثير شاخص‌هاي هندسي آن‌ها است. در اين پژوهش، شاخص‌هاي هندسي يك صفحه مستغرق در بستر رسوبي كانال مستقيم با مدل‌سازي عددي بهينه‌سازي شده است. منظور از بهينه‌سازي شاخص‌هاي هندسي يك صفحه در اين پژوهش، تعيين هم‌زمان طول، ارتفاع و زاويه نصب صفحه در برابر جريان است، به گونه‌اي‌ كه بهترين شرايط براي عميق كردن بستر كانال ها در مقابل دهانه آب‌گيرهاي جانبي و انحراف رسوبات از مقابل دهانه آب‌گيرها فراهم شود. بنابراين پس از شبيه‌سازي الگوي جريان و رسوب پيرامون يك صفحه مستغرق در بستر آبرفتي كانال مستقيم با استفاده از نرم‌افزار SSIIM و واسنجي و سنجش درستي نتايج مدل عددي با نتايج آزمايشگاهي، شاخص‌هاي هندسي موثر بر كاركرد صفحه مستغرق بررسي شده است. هر يك از شاخص‌هاي طول صفحه، ارتفاع صفحه و زاويه برخورد جريان با صفحه در چهار سطح تغيير انتخاب شدند و چهار تابع پاسخ نيز براي بهينه سازي درنظر گرفته شد. بهينه‌سازي شامل كمينه عمق آب‌شستگي در لبه‌هاي ابتدايي و انتهايي صفحه، كمينه ارتفاع رسوب‌گذاري در پايين‌دست صفحه و بيشينه حجم آب‌شستگي در پايين‌دست صفحه است. براي كاهش تعداد مطالعات، بدون اين‌كه در نتايج خطاي زيادي وارد شود، مطالعات با روش تاگوچي طراحي شد. براي تحليل نتايج و بهينه سازي چندين تابع پاسخ از روش GRA استفاده شد. در نهايت، تركيب بهينه شاخص‌هاي هندسي صفحه و نيز تاثير هر يك از شاخص‌ها بر تابع پاسخ تعيين گرديد. نتايج اين تحليل نشان داد كه زاويه برخورد جريان با صفحه، بيشترين تاثير را بر كاركرد صفحه مستغرق بر اساس توابع پاسخ مورد نظر دارد.

Submerged vanes are plane structures mounted vertically on river bed with an angle to the approach flow. These structures are usually used in group. The operation of the submerged vanes is production of secondary flow around their length axis that changes the flow pattern and bed topography. The performance of a submerged vane is related to its geometric parameters such as length, height and the angle of attack of the approach flow. In this study the optimization of geometric parameters of a submerged vane in a straight alluvial flume is done numerically to achieve the best condition for increasing the scour depth of channel in front of lateral intake and deviation of sediment from lateral intakes. The SSIIM software is applied for simulating the flow and sediment pattern around a submerged vane. Verification of numerical model with experimental results is done. The effect of geometric parameters of the vane on the performance of the submerged vane is studied. Length, height and the angle of a vane are investigated in four levels and four responses including minimum scour depth near the leading edge of the vane, minimum scour depth near the trailing edge of the vane, maximum scour volume at the downstream of the vane and maximum sedimentation depth at the downstream of the vane are calculated numerically. In previous studies the scour depth at the leading and the trailing edges of the vane were not included in optimization and this is one of the innovation of this paper. The other two last responses are normalized with appropriate parameters. The maximum scour volume at the downstream of the vane is normalized with the volume of the vane and the maximum sedimentation depth at the downstream of the vane is normalized with the length of the vane. Taguchi method is used to design studies in order to minimize the number of cases without affecting the results. 16 tests are investigated instead of 64 tests. Grey Relational Analysis is used for analyzing the responses. The results of this study show that the angle of a vane has more effect on the performance of the vane than the height and the height is more effective than the length. The ratio of 0.25 for the height of the vane to the depth of flow and 15 degree for the angle of attack are proposed to obtain the optimum performance of the submerged vane. Changing the ratio of the length to the height of the vane has a little effect on the responses. So the smaller length of the submerged vanes (in this paper the ratio of 1.25 among 1.25 to 3 for the length to the height of the vane) is economical.