Modeling local scour using k-? turbulence model and soft computing techiques

Abstract

Bu çalışmada, hidrolik yapıların mansap kısmında meydana gelen yerel oyulmanın zamana bağlı değişimini ve oyulan bölgedeki akım şartlarını simule eden bir karma numerik-analitik model geliştirildi. Karma model, bir analitik model ve bir de k-? türbülans modelden oluşmaktadadır. Analitik model taban parçacığı üzerinde etki eden dış kuvvetleri analiz eder ve bir integro-parabolik denklemi çözerek taban profilinin zamana bağlı değişimini modeller. Nümerik model birincinin modellediği oyulma çukuru içerisinde meydana gelen akım şartlarını simule eder.Önerilen model literatürdeki deneysel çalışmalar, ticari programlar ve nümerik çalışmaların tahminleri kullanılarak değerlendirildi. Önerilen karma model, hidrolik yapıların mansap kısmında meydana gelen yerel oyulmanın zamana bağlı değişimini ve oyulan çukur içerisindeki akım şartlarını, deneysel verilerle oldukça iyi uyum içinde modelledi. Önerilen karma model, karmaşık hidrolik mühendisliği problemlerinde verimli bir şekilde kullanılabileceğini kanıtladı. Yerel oylmanın tahminine yeni bir yaklaşım olan yapay zeka ile hesaplama tekniğinin kullanımı sunulmuştur. Yapay Sinir Ağları ve Genetik Programlama kullanılarak, hidrolik yapıların mansap kısmında oluşan yerel oyulmayı tahmin eden modeller gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, yapay zeka ile hesaplama tekniğinin çok karmaşık hidrolik mühendisliği problemlerinde kullanımını desteklemiştir.

In this study, a hybrid numerical-analytical model is developed, which simulates the temporal evolution of local scour downstream of hydraulic structures, and simulates the flow patterns in the scoured zone. The hybrid model consists of an analytical model and a k-? turbulence model. The analytical model analyzes the external forces acting on a bed grain and models the instantaneous shape of the scour hole solving an integro-parabolic equation. The numerical model derives the instantaneous shape of mobile bed and simulates the flow patterns in the corresponding scour hole.The proposed model is verified by experimental data taken from the studies of others in the literature, predictions of commercial software and numerical studies in the literature. The proposed hybrid model predicted the temporal evolution of local scour downstream of hydraulic structures, and simulated the flow patterns in scoured hole with quite good agreements with the experimental ones. The proposed hybrid model proved to be efficiently used in complex hydraulic engineering problems. The use of a new approach to prediction of local scour, soft computing technique, is presented. Artificial Neural Networks and Genetic Programming based models are developed, which predict the local scour downstream of hydraulic structures. The results encourage the use of soft computing technique in very complex hydraulic engineering problems.