پیش بینی و ارزیابی عمق آبشستگی در زیر خطوط لوله با بکارگیری روش های بردار پشتیبان ماشین و رگرسیون قوسی تحت موج

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز

2 دانشکده مهندسی عمران ، دانشگاه تبریز

3 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

خطوط لوله انتقال­دهنده سیالات، یکی از مهم­ترین عوامل توسعه و رشد اقتصادی هر کشوری محسوب می­ شوند که برای انتقال سوخت های سیال، پسماندها و فاضلاب ­ها و یا برای انتقال هر سیال دیگر استفاده می ­شوند. هنگامی که این خطوط لوله بر روی بستر دریا و اقیانوس قرار می ­گیرند، باعث ایجاد تغییراتی در جریان شده که افزایش تنش برشی و آشفتگی سیال را به ­دنبال دارد. همین امر سبب بیشتر شدن ظرفیت حمل رسوب و در نتیجه ایجاد حفره آبشستگی می­ شود. با بزرگ­تر شدن چاله آبشستگی، تنش ­ها و بارهای نوسانی باعث خستگی و گسیختگی لوله ­ها می ­شود. همین امر اهمیت بررسی پدیده آبشستگی در زیر خطوط لوله را نشان می ­دهد. در این تحقیق به تأثیر عوامل متعددی بر آبشستگی زیر خطوط لوله تحت موج با استفاده از روش رگرسیون فرایند گاوسی ((GPR)Gaussian Process Regression ) و ماشین بردار پشتیبان ((SVM)Support Vector Machine ) مورد مطالعه قرار گرفته است. بدین منظور از داده­ های آزمایشگاهی متعددی که استفاده شده است و پس از تعریف چندین پارامتر بدون بعد، عملکرد روش ­های مذکور مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج به ­دست آمده به ­خوبی نشان­ دهنده این است که این روش ­ها نسبت به روابط تجربی نتایج بهتری دارند. با بررسی نتایج مشاهده شد که مدل ماشین بردار پشتیبان با متغیرهای ورودی KC، θ، Re و e/D با دارا بودن حداقل مقدار RMSE برابر 047/0 و همچنین حداکثر مقادیر R برابر 959/0 و NSE برابر 904/0 بهترین نتیجه و عملکرد را دارد و طبق نتایج به ­دست آمده از آنالیز حساسیت پارامتر KC، تأثیرگذارترین پارامتر بر روی عمق آبشستگی زیر خطوط لوله در حالت موج است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Modeling and Predicting the Rate of Scour Depth below Pipelines in Waves Using Gaussian Process Regression (GPR) and Support Vector Machine (SVM) Methods

نویسندگان [English]

  • Kiyoumars Roushangar 1
  • Shima Shafie Naeibi 2
  • Mohammad Ali Lotfollahi Yaghin 1
  • Mehrdad Ramazanilar 3
1 Faculty of Civil Engineering, Tabriz University. Iran
2 Faculty of Civil Engineering, University of Tabriz. Iran
3 Khajeh Nasir Toosi University of Technology, Iran
چکیده [English]

Pipeline network is one of the major agents of the economic growth and development of a country, which is used to transport fluid fuels, wastewaters, and any other fluids. When these pipelines meet 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 the 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 and oscillating loads. Therefore, it is very important to study the scour depth and effective variables to reduce scour and prevent damage. Researchers have conducted experimental and numerical studies on scour phenomenon, considering various types of flows and conditions, and have provided different relations over the years.
In this research, the effect of various factors on this phenomenon in waves is investigated using Gaussian process regression (GPR) and support vector machine (SVM). 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 has shown that an SVM model with KC, Re and  variables in wave-induced current has the best results. It is worth mentioning that the KC variable has the most significant effect on the scour below pipelines.

کلیدواژه‌ها [English]

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

مراجع

بیات ح، "اندرکنش سازه­ های آبی و فرسایش"، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر، 1379، 172-205.
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)، 19-34.
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.
Ažman K, Kocijan J, “Application of Gaussian processes for black-box modelling of biosystems”, ISA Transactions, 2007, 46, 443-457. Doi.org/10.1016/j.isatra.2007.04.001
Çevik E, Yüksel Y, “Scour under Submarine Pipelines in Waves in Shoaling Conditions”, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 1999, 125 (1), 9-19. doi.org/10.1061/(ASCE)0733-950X(1999)125:1(9)
Cheng N, Wei M, Xu P, Mao R, “Length scale for evaluating wave-induced pipeline scour”, Journal of Ocean Engineering, 2020, 218, 108153. Doi.org/10.1016/j.oceaneng.2020.108153
Chiew, Yee‐Meng, “Mechanics of Local Scour Around Submarine Pipelines”, Journal of Hydraulic Engineering, 1990, 116 (4), 515-529.
Dogan M, Arisoy Y, “Time Developement of Local Scour Depth below Pipelines Exposed to Waves”, The 34th International Conference on Coastal Engineering, 2014. Doi.org/10.9753/icce.v34.posters.9
Kazeminezhad MH, Etemad-Shahidi A, Yeganeh Bakhtiary A, “An alternative approach for investigation of the wave-induced scour around pipelines”, Journal of Hydroinformatics, 2010, 12 (1), 51-65. Doi.org/10.2166/hydro.2010.042
Kim KH, Oh HS, “Comparison of local scour around pipeline caused by waves and steady currents”, Journal of Ocean Engineering and Technology, 2011, 25 (2), 21-28.
Klomp WHG, Hansen EA, Chen Z, Bijker R, Bryndum MB, “Pipeline seabed interaction, free span development”, The Fifth International Offshore and Polar Engineering Conference, The Hague, The Netherlands, 1995. ISOPE-I-95-112.
Mao Y, “The interaction between a pipeline and an erodible bed”, PhD dissertations, Technical University of Denmark, 1986.
Montgomery DC, Peck EA, “Introduction to Linear Regression Analysis Wiley”, New York, USA, 1992.
Mousavi ME, Bakhtiary A, Yeganeh Enshaei N, “The equivalent depth of wave-induced scour around offshore pipelines”, Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2009, 131 (2), 021601(5 Pages). Doi.org/10.1115/1.3058681
Pal M, Deswal S, “Modelling pile capacity using Gaussian process regression”, Computers and Geotechnics, 2010, 37 (7-8), 942-947. http// Doi.org/10.1016/j.compgeo.2010.07.012
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.
Sumer BM, Fredsoe J, “Scour below Pipelines in Waves”, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 1990, 116 (3), 307-323. Doi.org/ 10.1061/(ASCE)0733-950X(1990)116:3(307)
Sumer B, Jensen M, René H, Ye M, Fredsoe J, “Effect of lee‐wake on scour below pipelines in current”, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 1988, 114 (5), 599-614. Doi.org/ 10.1061/(ASCE)0733-950X(1988)114:5(599)
Sumer BM, Fredsoe J, “Onset of scour below a pipeline exposed to waves”, The First International Offshore and Polar Engineering Conference, Edinburgh, The United Kingdom, ISOPE-I-91-104, 1991.
Sumer BM, Fredsoe J, “The mechanics of scour in the marine environment”, World Scientific, Singapore, 2002. Doi.org/10.1142/4942
Sumer BM, Truelsen C, Sichmann T, Fredsoe J, “Onset of scour below pipelines and self-burial”, Journal of Coastal Engineering, 2001 42 (4), 313-335. Doi.org/10.1016/S0378-3839(00)00066-1
Vapnik V, “N1995 the nature of statistical learning”, Theory Springer-Verlag, New York, NY, 286pp. dx. Doi.org/10.1007/978-1-4757-2440-0
Westerhorstmann JH, Machemehl JL, Jo CH, “Effect of pipe spacing on marine pipeline scour”, The Second International Offshore and Polar Engineering Conference, San Francisco, California, USA, 1992, Paper Number: ISOPE-I-92-112.
Wu Y, Chiew YM, “Mechanics of three-dimensional pipeline scour in unidirectional steady current”, Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, 2013, 4 (1), 3-10. Doi.org/10.1061 /(ASCE)PS.1949-1204.0000118
Zang Z, Tang G, Chen Y, Cheng L, Zhang J, “Predictions of the equilibrium depth and time scale of local scour below a partially buried pipeline under oblique currents and waves”, Coastal Engineering, 2019, 150, 94-107. Doi.org/10.1016/j.coastaleng. 2019.04.005

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار