Skip to main content
SUPERVISOR
مریم ذکری (استاد راهنما) عبدالرضا کبیری سامانی (استاد راهنما) مهران صفایانی (استاد مشاور)
 
STUDENT
FAEZEH MOGHADAS
فائزه مقدس

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Estimation of Pressure and Pressure Loss In Two Phase Air-Water Flows Using Adaptive Neuro Fuzzy Inference System (ANFIS) and PSO Optimization Algorithm
Two phase gas-liquid flows occur in a wide variety of situations, i.e. , in water supply systems, petroleum industry, pressurized tunnels and pipelines, culverts and water conduits. Air entrainment into a pipeline is the result of vortices at water intakes. Due to the severity of two-phase air-water flow at hydraulic systems, estimation of the pressure and pressure loss in such systems is of great importance. Most of the former studies have focused on two-phase gas-liquid flow in micro-channels and small pipelines. Lack of studies exists on pipelines with larger dimensions as used in hydraulic engineering. This situation becomes even more complicated because the exact shapes and locations of the regions occupied by air and water are unknown, as the air-water interface deforms. The most common two-phase flow regimes that are attainable in pipelines are bubbly, slug, wavy, stratified, and annular flow. The mutual effects of gas and liquid specifications make the behavior of two-phase flows complex and periodic with different parameters involved. Among different two-phase gas-liquid flow patterns, slug flow is the most complex flow with extremely variation of pressure. Therefore, more researches on this flow pattern seems to be necessary. In this study, the variations of pressure and pressure loss coefficient are estimated using artificial neural networks (ANN) and adaptive neuro fuzzy inference system (ANFIS). Recently, these models have been used in different practical situations to predict complex nonlinear relations among the parameters. The present model also combines particle swarm optimization (PSO) with adaptive neuro fuzzy inference system, namely hybrid PSO-ANFIS(HPA), thereby optimizing the results. For this purpose, the antecedent parameters of ANFIS estimating pressure and pressure loss coefficient were optimized using PSO algorithm whereas the consequent parameters were optimized using least-square algorithm. ANFIS model includes complex processes with different parameters involved, thereby produces so many rules. To overcome this complication, fuzzy clustering preprocessing was employed to decrease the number of fuzzy rules and to increase the efficiency of ANFIS model. To these models with subtractive clusters, a PSO algorithm was applied to optimize the clustering parameters and to control the fuzzy- if- then rules in subtractive clustering. Another PSO algorithm was also employed to tune the fuzzy rule parameters associated with fuzzy if-then rules. The SUBCLUST fuzzy clustering technique was used for estimating the variation on pressure in two-phase air-water flows. Performance of the models was evaluated using root mean square error (RMSE) and coefficient of determination (R 2 ). Results show that the ANFIS model is more accurate compared to the empirical correlations presented in the literature. Furthermore combining PSO algorithm and subtractive fuzzy clustering resulted in improving the results. Key words: Two phase flow, Pressure loss, Adaptive Neuro Fuzzy Inference System, Fuzzy Clustering, Optimization
جریان دوفازی در سازه های گوناگون از جمله سیستم های انتقال آب و خطوط لوله ی دریایی انتقال نفت و در سازه های هیدرولیکی از جمله سرریز های نیلوفری، شفت های قائم، کالورت ها و تونل ها و مجاری بسته اتفاق می افتد. وقوع گردابه ها در سازه های هیدرولیکی باعث ورود هوا و تشکیل جریان دوفازی می شود. موضوع بسیار مهم در این نوع جریان ها طبیعت نوسانی و وابسته به زمان آن هاست که بر فشار و افت فشار تأثیر می گذارد. بنابراین پیش بینی فشار و افت فشار در جریان های دوفازی جهت طراحی بهینه و مناسب و جلوگیری از وقوع مشکلات ناخواسته در اثر ایجاد جریان های دوفازی امری ضروری است. علی رغم تمامی مطالعات انجام شده، اکثر تحقیقات پیشین در ارتباط با مجاری با قطر کم صورت گرفته است و در ارتباط با مجاری با اقطار بالا نظیر آن چه در مهندسی هیدرولیک به عنوان مجرای انتقال آب مورد نظر است، مطالعات بسیار اندکی وجود دارد. لذا در این تحقیق مدل هایی جامع جهت پیش بینی فشار و افت فشار در جریان های دوفازی آب و هوا با استفاده از شبکه های عصبی و سیستم عصبی-فازی تطبیقی (انفیس) ارائه می شود. امروزه استفاده از این مدل ها به دلیل قابلیت آن ها در پیش بینی رفتار توابع غیرخطی پیچیده مورد استقبال محققین در علوم مختلف قرار گرفته است. از آن جایی که مدل انفیس در مواجهه با فرآیند های پیچیده با تعداد پارامترهای زیاد، قوانین زیادی تولید می کند و حجم محاسبات را بیش تر می کند، استفاده از پیش پردازش خوشه بندی فازی کارآیی مدل انفیس را بیش تر و حجم محاسبات را کمتر می کند. در روش خوشه بندی فازی، داده های ورودی به دسته هایی مستقل تقسیم بندی شده و در نتیجه به ازای هر دسته یک قانون تشکیل می شود و در نتیجه تعداد قوانین بسیار کاهش می یابد. در این پژوهش روش خوشه بندی فازی مورد نظر، روش SUBCLUST است که در مورد مدل پیش بینی فشار متوسط استفاده شده است. استفاده از الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات یکی دیگر از تکنیک های بهبود نتایج در این تحقیق است. رایج ترین الگوریتم برای آموزش شبکه های عصبی، الگوریتم استاندارد پس انتشار خطا است که بر اساس روش گرادیان کاهشی در بهینه سازی در برخورد با اولین بهینه ی محلی متوقف می شود. بنابراین در این پژوهش برای تنظیم وزن ها و بایاس های شبکه های عصبی از الگوریتم ازدحام ذرات استفاده شده است. در مدل های انفیس نیز در رابطه با تنظیم پارامترها الگوریتم ترکیبی ازدحام ذرات و حداقل مربعات که الگوریتم ترکیبی انفیس-PSO (HPA) نام دارد به کار رفته است. نتایج تحقیق در مورد ضریب افت فشار نشان می دهد که مدل های شبکه عصبی و عصبی-فازی تطبیقی هر دو توانسته اند نسبت به روابط تجربی نتایج بهتری ارائه کنند و مدل های انفیس همراه با الگوریتم ازدحام ذرات در پیش بینی ضریب افت فشار نسبت به مدل های شبکه عصبی دقت بسیار بالاتری دارند. همچنین نتایج در مورد فشار متوسط نشان می دهد که نتایج حاصل از مدل های انفیس همراه با پیش پردازش خوشه بندی فازی و الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات داری دقت بالاتری هستند. کلمات کلیدی: جریان دوفازی، افت فشار، سیستم عصبی-فازی تطبیقی، خوشه بندی فازی، بهینه سازی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی