پژوهش آب ایران

پژوهش آب ایران

بررسی تجربی و داده محور عملکرد هیدرولیکی سرریز کلید پیانویی تیپ A

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
استادیار گروه عمران، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران.
چکیده
سرریزهای کلیدپیانویی (PKW) به‌عنوان سازه‌هایی مؤثر برای افزایش ظرفیت تخلیه جریان بدون نیاز به افزایش ارتفاع تاج سد شناخته می‌شوند. بااین‌حال، تأثیر زاویه و جهت شیب دیواره‌های جانبی بر عملکرد هیدرولیکی آن‌ها کمتر مورد بررسی قرار گرفته است. در این پژوهش، عملکرد هیدرولیکی سرریزهای کلیدپیانویی نوع A با استفاده از آزمایش‌های فیزیکی و مدل‌سازی داده‌محور مورد بررسی قرار گرفت. اثر زاویه و جهت شیب دیواره‌های جانبی برای دو هندسه مستطیلی و ذوزنقه‌ای در یک فلوم آزمایشگاهی به طول ۱۵ متر و ارتفاع ۰٫۶ متر تحت شرایط جریان آزاد و زیربحرانی مطالعه شد. مدل‌ها با زوایای شیب ۵، ۷٫۵ و ۱۰ درجه در دو جهت موافق و مخالف جریان آزمایش شدند.

ضریب تخلیه با استفاده از داده‌های دبی–اشل محاسبه و به کمک روش‌های رگرسیون چندمتغیره، شبکه عصبی مصنوعی (ANN)، جنگل تصادفی و XGBoost پیش‌بینی گردید. نتایج نشان داد شیب دیواره در خلاف جهت جریان با بهبود الگوی ورود جریان، کاهش جدایش و افت انرژی، موجب افزایش ضریب تخلیه می‌شود. مدل‌های ذوزنقه‌ای نسبت به مدل‌های مستطیلی عملکرد بهتری داشتند و افزایش ضریب تخلیه تا حدود ۱۵ درصد مشاهده شد. در میان مدل‌های داده‌محور، ANN و XGBoost بالاترین دقت پیش‌بینی (بیش از ۹۸ درصد) و کمترین خطا (کمتر از ۲ درصد) را نشان دادند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

1.    Akbari, M., Salmasi, F., Arvanaghi, H., Karbasi, M., and Farsadizadeh, D., 2020. Effective Geometrical parameters on discharge coefficient of gated piano key weir. Iranian Water Research Journal, 14(3), pp.115-121. [In Persian] https://doi.org/10.22093/iwrj.2020.222379.1764
 
2.    Anderson, R. M., and Tullis, B.P., 2013. Piano key weir hydraulics and labyrinth weir comparison. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 139(3), pp.246-253. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000530
 
3.    Anderson, R.‌ M., and Tullis, B.‌P., 2012. Comparison of piano key and rectangular labyrinth weir hydraulics. Journal of Hydraulic Engineering, 138(4), pp.358–361. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943‑7900.0000524
 
4.    Belaabed, F., and Ouamane, A., 2011. Contribution to the study of the piano key weirs submerged by the downstream level. In Labyrinth and Piano Key Weirs – PKW pp. 89–96. https://doi.org/10.1201/b11455-10
 
5.    Erpicum, S., Machiels, O., and Pirotton, M.,  2016. Numerical modelling of flow over piano key weirs: Influence of inlet and outlet geometries. Journal of Hydro‑Environment Research, 12,  pp.78–89. https://doi.org/10.1016/j.jher.2016.01.004
 
6.    Erpicum, S., Machiels, O., Pirotton, M., and Archambeau, P., 2023. Recent advances in piano key weir hydraulic performance. Journal of Hydraulic Research, 61(4), pp.567–582. https://doi.org/10.1080/00221686.2023.2173941.
 
7.    Autah, M., and De Freitas, M. H., 2017. Piano key weirs—A revolutionary type of spillway for large dams. Journal of Hydraulic Engineering, 143(12), 04017083. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001391
 
8.    Fatahi-Alkouhi, R., Afaridegan, E., and Amanian, N., 2024. Discharge coefficient estimation of modified semi-cylindrical weirs using machine learning approaches. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 38(8), pp.3177-3198. https://doi.org/10.1007/s00477-024-02685-z
 
9.    García, D., López, M., and Gutierrez, J., 2024. Hydraulic performance of piano key weirs under high-head flood conditions. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 18(1), pp.1123–1141. https://doi.org/10.1080/19942060.2024.2361298
 
10. Gharehbaghi, A., Ghasemlounia, R., Afaridegan, E., Haghiabi, A., Mandala, V., Azamathulla, H. M., and Parsaie, A., 2023. A comparison of artificial intelligence approaches in predicting discharge coefficient of streamlined weirs. Journal of Hydroinformatics, 25(4), pp.1513-1530. https://doi.org/10.2166/hydro.2023.185
 
11. Hashimoto, R., and Tani, K., 2025. Performance of stepped spillways under climate-enhanced floods. Water Resources Management, 39(2), pp.434–449. https://doi.org/10.1007/s11269-024-03782-4
 
12. Hosseini, S., Khosravi, V., and Kisi, O., 2024. Predicting discharge coefficient of weirs using XGBoost and Random Forest models. Journal of Hydraulic Engineering, 150(3), 04024015. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0002202
 
13. Izadinia, E., and Omidvar, M., 2021. Experimental evaluation of discharge coefficient of the combined culvert-piano key weir. Iranian Water Research Journal, 15(3), pp.25-36.[In Persian]
 
14. Johari, A., and Kisi, O., 2023. Hybrid ML models for prediction of discharge coefficients in non-linear weirs. Journal of Hydroinformatics, 25(3), pp.455–470. https://doi.org/10.2166/hydro.2023.051
 
15. Kabiri‑Samani, A., and Javaheri, A., 2012. Discharge coefficients for free and submerged flow over piano key weirs. Journal of Hydraulic Research, 50(1),  pp.114–120. https://doi.org/10.1080/00221686.2011.637021
 
16. Kim, S., and Park, J., 2023. Impact of sidewall inclination on flow separation in open channels. Journal of Hydraulic Research, 61(2), pp.224–240. https://doi.org/10.1080/00221686.2022.2141937
 
17. Kumar, R., and Chandra, R., 2024. ANN‑based prediction of flow over labyrinth and piano key weirs. Applied Water Science, 14(2), 221. https://doi.org/10.1007/s13201‑023‑01821‑9
 
18. Lempérière, F., and Ouamane, A., 2003. The Piano Keys weir: a new cost-effective solution for spillways. International Journal on Hydropower & Dams, 10(5), pp.144-149.
19. Li, Y., Tullis, B., and Erpicum, S., 2025. State‑of‑the‑art review of piano key weir research: 2015–2025. Water Research, 257, 120500. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.120500
 
20. Machiels, O., Erpicum, S., Archambeau, P., Dewals, B., and Pirotton, M., 2011. Experimental observation of flow characteristics over a piano key weir. In Labyrinth and Piano Key Weirs – PKW 2011, pp. 13–20. https://doi.org/10.1201/b11455-3
 
21. Machiels, O., Erpicum,‌ S., Pirotton,‌ M., Archambeau, P., and Dewals,‌ B.,  2014. Scale effects on the discharge capacity of piano key weirs. Journal of Hydraulic Research, 52(3),  pp.375–381. https://doi.org/10.1080/00221686.2014.888441
 
22. Pfister, M., and Schleiss, A.‌ J., 2013. Head–discharge relationships for piano key weirs. Journal of Hydraulic Engineering, 139(5),  pp.523–532. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943‑7900.0000699
 
23. Rahmanian, M., and Poursharifi, M., 2024. Influence of side-wall inclination on the flow pattern and discharge coefficient of trapezoidal piano key weirs. Water Science and Engineering, 17(1), pp.45–60. https://doi.org/10.1016/j.wse.2023.11.003
 
24. Romero,‌ H., and López,‌ A.,  2020. Optimization of piano key weir geometry using CFD. Water Resources and Hydraulic Engineering, 11(2),  pp.124–135. https://doi.org/10.1061/JWRHEE.2020.0022
 
25. Salmasi,‌ F., and Kabiri‑Samani,‌ A.,  2013. Experimental study of flow over triangular piano key weirs. Iranian Journal of Science and Technology –‌ Transactions of Civil Engineering, 37(C1), pp. 67–75. https://doi.org/10.1007/s40996‑013‑0012‑x
 
26. Shokri, M. and Gholami, A., 2026. In press. Experimental evaluation of discharge coefficient and performance of sloped and non‑sloped rectangular and trapezoidal piano key weirs. Journal of Applied Research in Water and Wastewater. https://doi.org/10.22126/arww.2026.11468.1350
 
27. Zhang, R., Liu, C., and Chen, Y., 2023. Numerical investigation of flow characteristics and discharge efficiency of piano key weirs. Water, 15(7), 1298. https://doi.org/10.3390/w15071298
 
دوره 20، شماره 2 - شماره پیاپی 61
(در حال تکمیل ....)
تابستان 1405
صفحه 19-34

  • تاریخ دریافت 23 بهمن 1404
  • تاریخ بازنگری 23 اسفند 1404
  • تاریخ پذیرش 23 اسفند 1404
  • تاریخ انتشار 01 تیر 1405