طراحی بهینه سیستم انتقال پمپ‌دار در مقابل ضربه قوچ ناشی از توقف ناگهانی پمپ با استفاده از دو روش الگوریتم ژنتیک و بهینه‌سازی ریاضی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد سازه هیدرولیکی، دانشکده عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران

چکیده

در سالهای اخیر طراحی بهینه سیستم‌های انتقال آب به طور قابل ملاحظه‌ای مورد توجه واقع شده ‌است. در این تحقیق مسئله طراحی بهینه قطر و ضخامت لوله‌های سیستم انتقال با استفاده از دو روش الگوریتم ژنتیک و  بهینه‌سازی ریاضی به گونه‌ای که توقف ناگهانی پمپ به بروز پدیده جدایی ستون آب و افزایش فشار خط لوله منجر نشود مد نظر قرارگرفته است، همچنین قابلیتهای روشهای مورد نظر، بررسی و ارزیابی شده‌ است. این مقایسه با فرض پیوسته بودن قطر و ضخامت لوله‌ها صورت گرفته که در مورد پروژه‌های بزرگ و خاص موضوعیت می‌یابد. بدیهی است در سیستم‌های با ظرفیت کم که امکان استفاده از لوله‌های تیپ موجود در بازار در فرآیند طراحی وجود دارد، روشهای برنامه‌ریزی ریاضی از قابلیت بالایی برخوردار نبوده و استفاده از الگوریتم ژنتیک موضوعیت بیشتری خواهد داشت. برای شبیه‌سازی جریان‌گذرا از روش خطوط مشخصه‌‌‌ صریح که در آن، لوله‌ها به عنوان استخوان‌بندی و سایر تجهیزات همچون پمپ، به عنوان شرایط مرزی تعریف می‌شوند استفاده شده است. مسئله طراحی بهینه سیستم انتقال همان‌گونه که از طبیعت آن مشخص است، مسئله‌ای مقید است که حل آن نیازمند استفاده از روشهای بهینه‌سازی مقید است. در این تحقیق از روشی نامقید برای طراحی بهینه سیستم انتقال استفاده شده ‌است که این امر نیازمند تبدیل مسئله مقید مورد نظر به مسئله‌ای نامقید است. به این منظور از توابع جریمه خارجی به عنوان روشی برای تبدیل مسئله اصلی مقید به مسئله‌ای نامقید استفاده شده‌ است. مسئله نامقید حاصل با استفاده از روشهای بهینه‌سازی ریاضی و الگوریتم ژنتیک حل شده و کارآیی روش‌ با حل یک مثال عددی بررسی شده ‌است. در فرآیند شبیه‌سازی  نشان داده شد که با افزایش قطر لوله‌ها، اثرات توقف ناگهانی پمپ به ویژه مقدار فشار منفی ایجاد شده و جدایی ستون آب ناشی از آن، کاهش می‌یابد. همچنین بهینه‌سازی صورت پذیرفته ‌، باعث جلوگیری از ایجاد موج منفی در محل پمپ، حرکت معکوس جریان آب، افزایش فشار در خط لوله رانش و کاهش فشار در خط لوله مکش سیستم شده ‌است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimal Design of Pumped Pipeline Systems Using Genetic Algorithm and Mathematical Optimization

نویسندگان [English]

  • Mohammadhadi Afshar 1
  • Javad Mahjoobi 2
1 Assistant Professor, Dept. of Civil Engineering, Iran Univ. of Science and Technology
2 M.Sc. Student of Civil Engineering, Iran Univ. of Science and Technology
چکیده [English]

In recent years, much attention has been paid to the optimal design of pipeline systems. In this study, the problem of pipeline system optimal design has been solved through genetic algorithm and mathematical optimization. Pipe diameters and their thicknesses are considered as decision variables to be designed in a manner that water column separation and excessive pressures are avoided in the event of pump failure. Capabilities of the genetic algorithm and the mathematical programming method are compared for the problem under consideration. For simulation of transient streams, explicit characteristic method is used in which devices such as pumps are defined as boundary conditions of the equations defining the hydraulic behavior of pipe segments. The problem of optimal design of pipeline systems is a constrained problem which is converted to an unconstrained optimization problem using an external penalty function approach. The efficiency of the proposed approaches is verified in one example and the results are presented.

کلیدواژه‌ها [English]

  • water hammer
  • Water Column Separation
  • Pump
  • Genetic algorithm
  • Mathematical Optimization
1- Karney, B. W., and McInnis, D. (1992). “Efficient calculation of transient flow in simple pipe networks.” J. Hydraul. Eng., 118(7), 1014–1030.

2- Wylie, E. B., and Streeter, V. L. (1993). Fluid transients in systems, Prentice–Hall, Englewood Cliffs, New Jersey.

3- Gray, C. A. M. (1953). “The analysis of the dissipation of energy in water hammer.” Proc., ASCE, 119, Paper 274, 1176–1194.

4- Lai, C. (1962). “A study of water hammer including effect of hydraulic losses.” PhD. thesis, University of Michigan, USA.

5- Wylie, E. B., and Streeter, V. L. (1983). Hydraulic transients, 5th Ed., FEB Press, Ann Arbor, Michigan.

6- Chaudry, M. H. (1979). Applied hydraulic transients, Van Nostrand Reinhold, New York.

7- Watters, G. Z. (1979). Modern analysis and control of unsteady flow in pipelines, Ann Arbor Science Publishers, Ann Arbor, Michigan.

8- Lansey, K. E., and Mays, L. W. (1989). “Optimization model for water distribution system design.” J. Hydraul. Eng., 115(10), 1401–1418.

9- Simpson, A. R., Dandy, G. C., and Murphy, L. J. (1994). “Genetic algorithms compared to other techniques for pipe optimization.” Journal of Water Resources Planning and Management, 120(4), 423-443.

10- Dandy, G. C., Simpson, A. R., and Murphy, L. J. (1996). “An improved genetic algorithm for pipe network optimization.” Journal of Water Resources Planning and Management, 32(2), 449–458.

11- Jung, B. S., and Karney, B. W. (2004). “Fluid transients and pipeline optimization using GA and PSO: The diameter connection.” Urban Water Journal, 1(2), 167–176.

12- Vanderplaats, Miura and Associates. (1994). <http://www.vrand.com/DOT.html>(SEP. 24, 2006).

13- Afshar, M. H., Afshar, A., and Marino, M. A. “An iterative penalty method for the optimal design of pipe networks.” submitted to the Int. J. Civil Eng.

14- Goldberg, D. E. (1989). “Genetic algorithms in search optimization and machine learning.” Reading, MA: Addison-Wesley.