نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

نشریه علمی پژوهشی مهندسی آبیاری و آب ایران

بررسی اثر شعاع تنگ‌شدگی بر دقت عملکرد فلوم‌های قابل‌حمل SMBF در جریان آزاد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
بهاره راستی پیشه 1
علی سلاجقه 2
یونس امین‎پور 3
امیرحسین پارسا مهر 4
1 دانشجوی کارشناسی ارشد علوم و مهندسی آبخیز، گروه احیا مناطق خشک و کوهستانی دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران
2 استاد دانشگاه تهران
3 استادیار، پژوهشکده مهندسی هیدرولیک و محیط های‌آبی، موسسه تحقیقات آب وزارت نیرو، تهران، ایران
4 استادیار، گروه مرتع و آبخیزداری (مهندسی طبیعت)، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فسا، فسا، ایران
10.22125/iwe.2026.552836.1900
چکیده
اندازه‌گیری دقیق دبی جریان در کانال‌های باز از ارکان اساسی مدیریت منابع آب و بهره‌برداری بهینه از سامانه‌های آبیاری و زهکشی محسوب می‌شود. در این پژوهش، به‌منظور ارزیابی عملکرد فلوم‌های قابل‌حمل SMBF در شرایط جریان آزاد، آزمایش‌های هیدرولیکی کنترل‌شده در یک فلوم آزمایشگاهی با چهار نسبت مختلف تنگ‌شدگی 342/0، 464/0، 561/0، 726/0 انجام شد. به‌طور هم‌زمان، مدل‌سازی عددی جریان در نرم‌افزار FLOW-3D با استفاده از مدل آشفتگی RNG صورت گرفت تا امکان مقایسه دقیق بین نتایج عددی و داده‌های تجربی فراهم گردد. برای سنجش دقت مدل عددی، معیارهای ارزیابی خطای میانگین(ME)، میانگین قدرمطلق خطا (MAE)، ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE)، نش-ساتکلیف (NSE)، شاخص توافق (AI) و شاخص کلینگ–گوپتا (KGE) مورد استفاده قرار گرفت. نتایج نشان داد که مدل عددی توانسته است رفتار هیدرولیکی جریان را با دقت بالایی بازتولید کند. بیشترین میزان همخوانی میان نتایج عددی و آزمایشگاهی در نسبت تنگ‌شدگی 342/0 r = به‌دست آمد، به‌طوری‌که مقدار خطای نسبی برابر با 3 درصد و شاخص KGE برابر با 93/0 بوده است. در نسبت‌های بالاتر، به‌ویژه در 726/ 0r =، افزایش تنگ‌شدگی موجب تشدید جدایش جریان و افزایش خطا تا حدود 5/16 درصد گردید. بر این اساس، می‌توان نتیجه گرفت که مدل عددی در تنگ‌شدگی‌های ملایم (5/0 r<) از پایداری و دقت بیشتری برخوردار است. در نهایت، نسبت 342/0 r = به‌عنوان شرایط بهینه عملکرد فلوم‌های SMBF معرفی شد و پیشنهاد می‌گردد در طراحی عملی این نوع فلوم‌ها، نسبت‌های ملایم 342/0 تا 464/0 مدنظر قرار گیرد تا ضمن افزایش دقت اندازه‌گیری، پایداری جریان نیز حفظ شود.
کلیدواژه‌ها
فلوم‌های SMBF
اندازه‌گیری دبی
مدل‌سازی عددی
جریان آزاد
Flow-3D
موضوعات

عنوان مقاله English

Investigation of the Effect of Contraction Radius on the Accuracy of Portable SMBF Flumes under Free Flow Conditions

نویسندگان English

Bahare Rastipishe 1
ALI Salajegheh 2
Younes Aminpour 3
AmirHossein ParsaMehr 4
1 M.Sc. Student, Department of Arid and Mountainous Region Reclamation, Faculty of Natural Resources, University of Tehran, Karaj, Iran.
2 Professor of Tehran University
3 Assistant Professor, Hydraulic and Aquatic Environment Engineering Research Institute, Water Research Institute, Ministry of Energy, Tehran, Iran.
4 Assistant Professor, Department of Rangeland and Watershed Management (Nature Engineering), Faculty of Agriculture, Fasa University, Fasa, Iran.
چکیده English

Accurate measurement of flow discharge in open channels is essential for efficient water resources management and optimal operation of irrigation and drainage systems. This study evaluated the hydraulic performance of portable SMBF flumes under free-flow conditions through controlled laboratory experiments and numerical modeling using FLOW-3D with the RNG turbulence model. Four contraction ratios (r = 0.342, 0.464, 0.561, and 0.726) were tested to examine the effect of contraction on discharge prediction accuracy. Model performance was assessed using statistical indicators including Mean Error (ME), Mean Absolute Error (MAE), Root Mean Square Error (RMSE), Nash–Sutcliffe Efficiency (NSE), Agreement Index (AI), and Kling–Gupta Efficiency (KGE). The results demonstrated excellent agreement between numerical and experimental data, particularly at the mild contraction ratio of r = 0.342, where the relative error was approximately 3% and KGE reached 0.93. Increasing the contraction ratio intensified flow separation and turbulence, resulting in higher prediction errors up to 16.5% at r = 0.726. Overall, the FLOW-3D model showed stable and accurate performance under mild contractions (r < 0.5). The contraction ratio of r = 0.342 was identified as optimal, providing a balance between hydraulic stability and measurement precision. It is therefore recommended that mild contraction ratios (0.342–0.464) be used in practical SMBF flume designs.

کلیدواژه‌ها English

Discharge Flow
Free Flow
Open Channel
SMBF
امین‌پور، ی.، فرهودی، ج.، و وطن‌خواه، ع. (۱۳۹۷). بررسی دقت روابط ارائه‌شده جهت تخمین دبی جریان با استفاده از فلوم SMBF. هفدهمین کنفرانس ملی هیدرولیک ایران. دانشگاه تهران. 7 صفحه. شناسه ملی: IHC17.
Adžić, F., I. Nikolić and M. Ćosić. 2022. Large-eddy simulation of supercritical free-surface flow in an open-channel contraction. Journal of Hydraulic Research, 60(5): 753–768.
Aminpour, Y., A.R. Vatankhah and J. Farhoudi. 2020. Experimental modeling of flumes with two semi-cylinder contractions (free and submerged flows). Flow Measurement and Instrumentation, 76: 101844.
Baiamonte, G. and V. Ferro. 2007. Simple flume for flow measurement in sloping open channel. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 133: 71–78.
Carollo, F.G., C. Di Stefano, V. Ferro and V. Pampalone. 2016. New Stage-Discharge Equation for the SMBF Flume. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 142(5): 04016005.
Gupta, H.V., H. Kling, K.K. Yilmaz and G.F. Martinez. 2009. Decomposition of the mean squared error and NSE performance criteria: Implications for improving hydrological modelling. Journal of Hydrology, 377: 80–91.
Heyrani, M., A. Mohammadian and I. Nistor. 2021. Numerical Simulation of Flow in Parshall Flume Using Selected Nonlinear Turbulence Models. Hydrology, 8(4): 151.
Mohammadi, A. and A.R. Vatankhah. 2020. Stage–discharge equation for simple flumes with semi-cylinder contractions. SN Applied Sciences, 2: 1–13.
Moriasi, D.N., J.G. Arnold, M.W. Van Liew, R.L. Bingner, R.D. Harmel and T.L. Veith. 2007. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. Transactions of the ASABE, 50(3): 885–900.
Nash, J.E. and J.V. Sutcliffe. 1970. River flow forecasting through conceptual models. Journal of Hydrology, 10(3): 282–290.
Neter, J., M.H. Kutner, C.J. Nachtsheim and W. Wasserman. 1996. Applied Linear Statistical Models. 4th ed. McGraw–Hill.
Samani, Z., S. Jorat and M. Yousaf. 1991. Hydraulic characteristics of circular flume. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 117(4): 558–566.
Samani, Z. and H. Magallanez. 1993. Measuring water in trapezoidal canals. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 119(1): 181–186.
Samani, Z. and H. Magallanez. 2000. Simple flume for flow measurement in open channel. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 126(2): 127–129.
Samani, Z. and H. Magallanez. 2002. Challenges in accurate depth measurement in SMBF flumes. Journal of Irrigation and Drainage Engineering.
Shakibaeinia, A. and Y.C. Jin. 2011. Numerical simulation of supercritical open-channel flow using FLOW-3D. Journal of Hydraulic Research, 49(6): 774–781.
Sun, B., L. Yang, S. Zhu, H. Zhang, C. Zhang and J. Zhang. 2020. Experimental and numerical investigation of flow measurement mechanism and hydraulic performance of portable pillar-shaped flumes in trapezoid channels. Shock and Vibration, 2020: 8815957.
Vatankhah, A.R. 2017. Discussion of “New Stage-Discharge Equation for the SMBF Flume,” by Francesco Giuseppe Carollo, Costanza Di Stefano, Vito Ferro, and Vincenzo Pampalone. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 143(8): 07017011.
Willmott, C.J. and K. Matsuura. 2005. Advantages of the mean absolute error (MAE) over the root mean square error (RMSE) in assessing average model performance. Climate Research, 30: 79–82.
Yarahmadi, N. and A.R. Vatankhah. 2021. Experimental study on rectangular cut-throated flume: Effects of flume wall slopes and channel longitudinal slope. Flow Measurement and Instrumentation, 79: 101919.
Zhang, Q., J. Zhou and K. Yang. 2018. Numerical simulation of supercritical flow characteristics in sudden contractions of open channels. Advances in Water Resources, 116: 153–164.