پیش بینی و ارزیابی عمق آبشستگی در زیر خطوط لوله با استفاده از روش های پایه کرنلی برای جریان های یکنواخت

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی آب، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

امروزه در سراسر دنیا از خطوط لوله برای انتقال سیالات از نقطه‌ای به نقطه دیگر استفاده می‌شود. عبور خطوط لوله از بستر رودخانه، دریا و اقیانوس‌ها باعث ایجاد تغییراتی در الگو جریان می‌شود. در نتیجه این تغییرات، تنش برشی بستر و آشفتگی جریان افزایش می‌یابد و خاک بستر زیر این خطوط را دچار آبشستگی کرده و گودال آبشستگی به‌وجود می‌آید. این گودال‌ها سبب می‌شوند که لوله تحت اثر نیروی وزن خود در معرض آسیب‌دیدگی و شکست باشد؛ که در صورت وقوع این اتفاق خسارات جبران‌ناپذیر محیط زیستی و مالی ایجاد می‌کند. از این رو بررسی عمق گودال آبشستگی و عوامل مؤثر در به‌وجود آمدن آن برای کاهش آبشستگی و خسارات ناشی از آن بسیار حائز اهمیت می‌باشد. در این تحقیق به تأثیر عوامل متعددی بر آبشستگی زیر خطوط لوله در جریان یکنواخت با استفاده از روش رگرسیون فرایند گاوسی (GPR) و ماشین بردار پشتیبان (SVM) و مقایسه نتایج آن با روابط ارائه شده پرداخته شده است. بدین منظـور داده‌های آزمایشگاهی متعددی مورد استفاده قرار گرفته و پس از تعریف چندین پارامتـر بدون بعد، عملکرد روش‌های مذکور مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج به‌دست آمده به خوبی نشان می‌دهـد که این روش‌ها کارایی بهتری نسبت به روابط تجربی دارند. بررسی‌ها نشان داد مـدل ماشین بردار پشتیبان با متغییرهای ورودی h/D، D/d، Re و S0 با دارا بودن مقادیر معیارهای ارزیابی RMSE برابر 084/0، R برابر با 877/0 و NSE برابر 767/0 بهترین نتیجه و عملکرد را دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Modeling and predicting the rate of scour depth below pipelines using kernel-based methods for steady flows

نویسندگان [English]

  • ‪Kiyoumars Roushangar 1
  • Shima Shafie Naeibi 1
  • Mohammad Ali Lotfollahi-Yaghin 1
  • Mehrdad Ramazanilar 2
1 Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz
2 Khajeh Nasir Toosi University of Technology
چکیده [English]

Pipelines are used all around the world to transport fluids from one location to another. When these pipelines meet rivers, seas and oceans pipes are laid on the solid bed and it causes changes in the flow pattern around the pipes. In result of these changes, the shear stress of bed under pipelines and turbulence of current will be increased, and scour will occur under pipelines and the scour hole will form and develop. These holes cause damage and failure to the pipe due to the pipe weight. In case of failure of the pipe, irreparable damages will incur to the environment and there will be huge financial costs. Therefore, it is very important to study the scour depth and effective variables to reduce scour and prevent damages. Researchers have conducted experimental and numerical studies on scour phenomenon and have provided relations over the years.
In this research the effect of various factors on this phenomenon in steady current are investigated using Gaussian process regression (GPR) and support vector machine (SVM) and it is compared with the previous presented relations. To this end several laboratory data were used and after defining several non-dimensional parameters the performance of these methods was evaluated. The result of this research demonstrated that these methods are better than experimental relations and have promising outcomes. This study have shown that an SVM model with ℎ/D, D/d, Re and S0 variables in steady current have the best results. It is worth mentioning that ℎ and variables in steady current have the most significant effect on the scour below pipelines.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Scour depth
  • Pipelines
  • Steady flow
  • Kernel-Based Method
  • Gaussian process regression (GPR)
  • Support vector machine (SVM)

مراجع

برهمند ن، جاعل آ، "تخمین آبشستگی در زیر خطوط لوله عبوری از مقطع عرضی رودخانه­ ها"، ششمین کنفرانس هیدرولیک ایران، 1386.
بیات ح، "اندرکنش سازه ­های آبی و فرسایش"، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، 1379، 172- 205.
حسینی د، حکیم­ زاده ح، غیاثی ر، "بررسی پدیده آبشستگی موضعی در اطراف خطوط لوله فراساحلی تحت اثر جریان­ های ماندگار با استفاده از مدل فیزیکی"، پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه سهند، تبریز، 1384.
ستارى م ت، رضازاده جودى ع، "تخمین عمق چاله آبشستگی پایه پل در سازه ­های آبى با روش رگرسیون فرآیند گاوسى"، مجله تحقیقات کاربردى مهندسى سازه­ های آبیارى و زهکشى، 1394، 16 (65)، 19-36.
شفاعی بجستان م، "هیدرولیک رسوب"، انتشارات دانشگاه شهید چمران، اهواز، 1378.
غزل ا، منتصری م، "ارزیابی معادلات عمق آبشستگی موضعی در رودخانه ­ها"، پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه ارومیه، 1388.
موسوی م، یگانه بختیاری ع، انشایی ن، "پیش ­بینی عمق آبشستگی اطراف لوله ­های زیردریایی تحت اثر جریان"، هفتمین کنگره بین المللی مهندسی عمران، 1385.
نیک ­نیا ن، کشاورزی ع، "بررسی عمق آبشستگی زیر خطوط لوله در کانال مرکب با شرایط بستر فرسایشی"، هشتمین سمینار بین­ المللی مهندسی رودخانه، 1388.
Ažman K, Kocijan J, “Application of gaussian processes for black-box modelling of biosystems”, ISA Transactions, 2007, 46, 443-457.
Azamathulla H, Md Yusoff MAM, Hasan ZA “Scour below submerged skewed pipeline”, Journal of Hydrology 2014, 509, 615-620.
Bijker EW, Leeuwestein W, “Interaction between pipelines and the seabed under the influence of waves and currents”, Seabed Mechanics, 1984, 235-242.
Chiew YM, “Flow around horizontal circular cylinder in shallow flows”, Journal of Waterway, Port, Coast and Ocean Engineering, ASCE, 1991, 117 (2), 120-135.
Chiew YM, “Mechanics of local scour around submarine pipeline”, Journal Hydraulic Engineering, ASCE, 1990, 116 (4), 515-529.
Chiew YM, “Prediction of maximum scour depth at submarine pipelines”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1991, 117 (4), 452-466.
Chiew YM, “Prediction of maximum scour depth at submarine pipelines”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1991, 117 (4), 452-466.
Daneshfaraz R, Bagherzadeh M, Esmaeeli R, Norouzi R, Abraham J, “Study of the performance of support vector machine for predicting vertical drop hydraulic parameters in the presence of dual horizontal screens”, Water Supply, 2021, 21 (1), 217-231.
Dey S, Singh NP, “Clear-water scour below underwater pipelines under steady flow”, Journal of Hydraulic Engineering, 2008, 134 (5).
Hofmann T, Schölkopf B, Smola Alexander J, “Kernel methods in machine learning”, The Annals of Statistics, 2008, 36 (3), 1171-1220.
Ibrahim A, Nalluri C, “Scour prediction around marine pipelines”, International Offshore Mechanics and Arctic Engineering Symposium, 1986, 5, 679-684.
Jensen BL, Sumer BM, Jensen HR, Fredsoe J, “Flow around and forces on a pipeline near a scoured bed in steady current”, Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 1990, 112 (3), 206-213.
Kjeldsen SP, Gjorsvik O, Bringaker KG, Jacobsen J, “Local scour near offshore pipelines”, 2nd Int. Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions, Conf. Reykjavik, 1973, 308-331.
Liu M, Jin X, Wang L, Yang F, Tang J, “Numerical investigation of local scour around a vibrating pipeline under steady currents”, Ocean Engineering, 2021, 221, 108546.
Mathieu A, Chauchat J, Bonamy C, Nagel T, “Two-phase flow simulation of tunnel and lee-wake erosion of scour below a submarine pipeline”, Water, 2019, 11 (8), 1727.
Maza JA, “Introduction to river engineering”, Advanced Course on Water Resources Management, Universita´ Italiana per Stranieri, Perugia, Italy, 1987.
Moncada-M AT, Aguirre-Pe J, “Scour below pipeline in river crossings”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1999, 125 (9), 953-958.
Najafzadeh M, Sarkamaryan S, “Extraction of optimal equations for evaluation of pipeline scour depth due to currents”, Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Maritime Engineering, 2018, 1-34.
Norouzi R, Daneshfaraz R, Ghaderi A, “Investigation of discharge coefficient of trapezoidal labyrinth weirs using artificial neural networks and support vector machines”, Applied Water Science, 2019, 9 (7), 148.
Rasmussen CE, “Evaluation of Gaussian processes and other methods for non-linear regression”, Thesis of Doctor of Philosophy, Graduate Department of Computer Science, University of Toronto, 1996, 2861-2861.
Roushangar K, Alami M, Majedi Asl M, “Determination of labyrinth and arced labyrinth weirs discharge coefficients using support vector regression”, Water and Soil Science, 2017, 27 (1), 173-186. Available from: https://water-soil.tabrizu.ac.ir/article_6223_b3bfc9fd67c4ee0fb5d2dda843332cfa.pdf
Roushangar K, Koosheh A, “Evaluation of GA-SVR method for modeling bed load transport in gravel-bed rivers”, Journal of Hydrology, 2015 527, 1142-1152.
Roushangar K, Ghasempour R, Saghebian SM, “Comparative study of effective hydraulic parameters on bridge piers scouring in cohesive and grainy soils using gaussian process regression method”, Iranian Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 1475-1485.
Setia B, Verma D, “Physics of flow mechanism of scour around submerged pipelines on an erodible bed”, 3rd WSEAS International Conference on Applied and Theoretical Mechanics, Spain, 2007.
Sumer BM, Jensen HR, Mao Y, Fredsoe J, “Effect of lee‐wake on scour below pipelines in current”, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 1988, 114 (5).
Sumer BM, Fredsoe J, “Scour below pipelines in waves”, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 1990, 116 (3).
Vapnik V, “The nature of statistical learning”, Theory Springer-Verlag, New York, NY, 1995, 286.
Wu Y, Chiew YM, “Three-dimentional scour at submarine pipelines in unidirectional steady”, Proceedings 5th International Conference on Scour and Erosion”, San Francisco, USA, American Society of Civil Engineers, 2010, 471-481.
Zhang Q, Draper S, Cheng L, An H, “Scour below a subsea pipeline in time varying flow conditions”, Applied Ocean Research, 2016, 55, 151-162.
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز
دوره 52.4، شماره 109 - شماره پیاپی 109
زمستان 1401
بهمن 1401
صفحه 1-12

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار