海洋学研究 ›› 2024, Vol. 42 ›› Issue (3): 131-141.DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2024.03.011
王智弘1(), 屈科1,3,4,*(), 杨元平2, 王旭1,3, 高榕泽1
收稿日期:
2023-10-12
修回日期:
2024-02-26
出版日期:
2024-09-15
发布日期:
2024-11-25
通讯作者:
*屈科(1985—),男,副教授,主要从事计算流体力学、海岸工程、海洋工程等方面的研究,E-mail:kqu@csust.edu.cn。
作者简介:
王智弘(2003—),男,湖南省娄底市人,主要从事波浪水动力方面的研究,E-mail: 202104330130@stu.csust.edu.cn。
基金资助:
WANG Zhihong1(), QU Ke1,3,4,*(), YANG Yuanping2, WANG Xu1,3, GAO Rongze1
Received:
2023-10-12
Revised:
2024-02-26
Online:
2024-09-15
Published:
2024-11-25
摘要:
该文基于开源软件OpenFOAM求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,实现了对于波状涌潮(Fr=1.2~1.3)的数值模拟,并与物理实验数据比较,验证了数值模拟的准确性。使用CONV1D卷积神经网络模型对数值模拟数据进行了学习,预测出在具有斜坡地形上的涌潮水动力发展过程。对比涌潮到达x=30.0 m 测点处的用时和该测点的最高水位的模型预测结果与数值模拟结果可知:到达用时的平均相对误差为2.28%,最高水位的平均相对误差为3.73%。较小的相对误差证明了CONV1D模型的准确性。该文对于涌潮的水动力过程模拟、与涌潮相关的灾害预警以及初生涌潮未来发展趋势研究都具有一定意义。
中图分类号:
王智弘, 屈科, 杨元平, 王旭, 高榕泽. 卷积神经网络方法在涌潮水动力特性演变中的应用研究[J]. 海洋学研究, 2024, 42(3): 131-141.
WANG Zhihong, QU Ke, YANG Yuanping, WANG Xu, GAO Rongze. Application of convolutional neural network method in evolution of tidal bore hydrodynamic characteristics[J]. Journal of Marine Sciences, 2024, 42(3): 131-141.
工况 序号 | 潮前水深 h0/m | 波高H/m | 潮后水深 h1/m | 潮后流速 u1/(m·s-1) |
---|---|---|---|---|
1 | 0.05 | 0.07 | 0.12 | 0.83 |
2 | 0.05 | 0.03 | 0.08 | 0.38 |
表1 物理实验验证工况
Tab.1 Verification of physical experimental conditions
工况 序号 | 潮前水深 h0/m | 波高H/m | 潮后水深 h1/m | 潮后流速 u1/(m·s-1) |
---|---|---|---|---|
1 | 0.05 | 0.07 | 0.12 | 0.83 |
2 | 0.05 | 0.03 | 0.08 | 0.38 |
图3 物理实验验证工况下 x=10 m,y=0.05 m处的水平速度时程曲线
Fig 3. Temporal evolution of horizontal flow velocity in verification of physical experimental conditions at x=10 m,y=0.05 m
工况序号 | 潮前水深 h0/m | 波高H/m | 潮后水深 h1/m | 潮后流速 u1/(m·s-1) | Fr | 工况序号 | 潮前水深 h0/m | 波高H/m | 潮后水深 h1/m | 潮后流速 u1/(m·s-1) | Fr |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.36 | 0.14 | 0.50 | 0.678 | 1.288 | 14 | 0.42 | 0.16 | 0.58 | 0.718 | 1.282 |
2 | 0.38 | 0.14 | 0.52 | 0.662 | 1.273 | 15 | 0.44 | 0.16 | 0.60 | 0.703 | 1.269 |
3 | 0.40 | 0.14 | 0.54 | 0.647 | 1.259 | 16 | 0.37 | 0.12 | 0.49 | 0.579 | 1.241 |
4 | 0.42 | 0.14 | 0.56 | 0.633 | 1.247 | 17 | 0.38 | 0.12 | 0.50 | 0.572 | 1.234 |
5 | 0.44 | 0.14 | 0.58 | 0.620 | 1.236 | 18 | 0.40 | 0.13 | 0.53 | 0.603 | 1.241 |
6 | 0.37 | 0.15 | 0.52 | 0.715 | 1.300 | 19 | 0.42 | 0.13 | 0.55 | 0.590 | 1.230 |
7 | 0.38 | 0.15 | 0.53 | 0.706 | 1.292 | 20 | 0.44 | 0.13 | 0.57 | 0.578 | 1.219 |
8 | 0.40 | 0.15 | 0.55 | 0.690 | 1.278 | 21 | 0.37 | 0.11 | 0.48 | 0.533 | 1.221 |
9 | 0.42 | 0.15 | 0.57 | 0.676 | 1.265 | 22 | 0.38 | 0.11 | 0.49 | 0.527 | 1.215 |
10 | 0.44 | 0.15 | 0.59 | 0.662 | 1.253 | 23 | 0.40 | 0.12 | 0.52 | 0.559 | 1.223 |
11 | 0.37 | 0.13 | 0.50 | 0.624 | 1.260 | 24 | 0.42 | 0.12 | 0.54 | 0.547 | 1.212 |
12 | 0.38 | 0.13 | 0.51 | 0.617 | 1.254 | 25 | 0.44 | 0.12 | 0.56 | 0.535 | 1.203 |
13 | 0.40 | 0.16 | 0.56 | 0.734 | 1.296 |
表2 数值模拟工况
Tab.2 Numerical simulation conditions
工况序号 | 潮前水深 h0/m | 波高H/m | 潮后水深 h1/m | 潮后流速 u1/(m·s-1) | Fr | 工况序号 | 潮前水深 h0/m | 波高H/m | 潮后水深 h1/m | 潮后流速 u1/(m·s-1) | Fr |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 0.36 | 0.14 | 0.50 | 0.678 | 1.288 | 14 | 0.42 | 0.16 | 0.58 | 0.718 | 1.282 |
2 | 0.38 | 0.14 | 0.52 | 0.662 | 1.273 | 15 | 0.44 | 0.16 | 0.60 | 0.703 | 1.269 |
3 | 0.40 | 0.14 | 0.54 | 0.647 | 1.259 | 16 | 0.37 | 0.12 | 0.49 | 0.579 | 1.241 |
4 | 0.42 | 0.14 | 0.56 | 0.633 | 1.247 | 17 | 0.38 | 0.12 | 0.50 | 0.572 | 1.234 |
5 | 0.44 | 0.14 | 0.58 | 0.620 | 1.236 | 18 | 0.40 | 0.13 | 0.53 | 0.603 | 1.241 |
6 | 0.37 | 0.15 | 0.52 | 0.715 | 1.300 | 19 | 0.42 | 0.13 | 0.55 | 0.590 | 1.230 |
7 | 0.38 | 0.15 | 0.53 | 0.706 | 1.292 | 20 | 0.44 | 0.13 | 0.57 | 0.578 | 1.219 |
8 | 0.40 | 0.15 | 0.55 | 0.690 | 1.278 | 21 | 0.37 | 0.11 | 0.48 | 0.533 | 1.221 |
9 | 0.42 | 0.15 | 0.57 | 0.676 | 1.265 | 22 | 0.38 | 0.11 | 0.49 | 0.527 | 1.215 |
10 | 0.44 | 0.15 | 0.59 | 0.662 | 1.253 | 23 | 0.40 | 0.12 | 0.52 | 0.559 | 1.223 |
11 | 0.37 | 0.13 | 0.50 | 0.624 | 1.260 | 24 | 0.42 | 0.12 | 0.54 | 0.547 | 1.212 |
12 | 0.38 | 0.13 | 0.51 | 0.617 | 1.254 | 25 | 0.44 | 0.12 | 0.56 | 0.535 | 1.203 |
13 | 0.40 | 0.16 | 0.56 | 0.734 | 1.296 |
工况序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
水深/m | 0.40 | 0.40 | 0.38 | 0.37 | 0.42 | 0.39 | 0.41 | 0.45 | 0.46 | 0.38 |
波高/m | 0.16 | 0.13 | 0.14 | 0.11 | 0.12 | 0.13 | 0.12 | 0.15 | 0.17 | 0.15 |
表3 测试工况设置
Tab.3 Test conditions
工况序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
水深/m | 0.40 | 0.40 | 0.38 | 0.37 | 0.42 | 0.39 | 0.41 | 0.45 | 0.46 | 0.38 |
波高/m | 0.16 | 0.13 | 0.14 | 0.11 | 0.12 | 0.13 | 0.12 | 0.15 | 0.17 | 0.15 |
图8 不同测试工况下CONV1D模型预测结果与数值模拟结果对比
Fig.8 Comparison of water level from CONV1D model predictions and numerical simulations under different test conditions
图9 不同测试工况下CONV1D模型预测结果与数值模拟结果的误差平方和对比
Fig.9 Comparison of the sum of squares of errors between CONV1D model predictions and numerical simulations under different test conditions
工况序号 | 涌潮到达 x=30.0 m 测点处的用时 | x=30.0 m 测点处的最高水位 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
数值模拟值/s | CONV1D模型预测值/s | 相对误差/% | 数值模拟值/m | CONV1D模型预测值/m | 相对误差/% | |
1 | 11.0 | 11.1 | 0.91 | 0.611 | 0.596 | 2.45 |
2 | 12.0 | 12.0 | 0.00 | 0.575 | 0.553 | 3.83 |
3 | 11.5 | 11.5 | 0.00 | 0.567 | 0.531 | 6.35 |
4 | 12.4 | 14.0 | 12.90 | 0.530 | 0.498 | 6.04 |
5 | 12.0 | 12.0 | 0.00 | 0.595 | 0.569 | 4.37 |
6 | 11.7 | 11.7 | 0.00 | 0.575 | 0.547 | 4.87 |
7 | 12.0 | 12.0 | 0.00 | 0.585 | 0.562 | 3.93 |
8 | 11.2 | 11.2 | 0.00 | 0.658 | 0.649 | 1.37 |
9 | 10.8 | 10.7 | 0.93 | 0.684 | 0.690 | 0.88 |
10 | 11.2 | 12.1 | 8.04 | 0.562 | 0.544 | 3.20 |
表4 不同测试工况下涌潮到达 x=30.0 m 测点处的用时和该测点最高水位的CONV1D模型预测值与数值模拟值的误差分析
Tab.4 Error analysis between CONV1D model predicted and numerical simulations of the time taken for the tidal bore reaching and maximum water level at x=30.0 m under different test conditions
工况序号 | 涌潮到达 x=30.0 m 测点处的用时 | x=30.0 m 测点处的最高水位 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
数值模拟值/s | CONV1D模型预测值/s | 相对误差/% | 数值模拟值/m | CONV1D模型预测值/m | 相对误差/% | |
1 | 11.0 | 11.1 | 0.91 | 0.611 | 0.596 | 2.45 |
2 | 12.0 | 12.0 | 0.00 | 0.575 | 0.553 | 3.83 |
3 | 11.5 | 11.5 | 0.00 | 0.567 | 0.531 | 6.35 |
4 | 12.4 | 14.0 | 12.90 | 0.530 | 0.498 | 6.04 |
5 | 12.0 | 12.0 | 0.00 | 0.595 | 0.569 | 4.37 |
6 | 11.7 | 11.7 | 0.00 | 0.575 | 0.547 | 4.87 |
7 | 12.0 | 12.0 | 0.00 | 0.585 | 0.562 | 3.93 |
8 | 11.2 | 11.2 | 0.00 | 0.658 | 0.649 | 1.37 |
9 | 10.8 | 10.7 | 0.93 | 0.684 | 0.690 | 0.88 |
10 | 11.2 | 12.1 | 8.04 | 0.562 | 0.544 | 3.20 |
图10 不同测试工况下涌潮到达 x=30.0 m 测点处的用时和该测点的最高水位的相对误差
Fig.10 Relative error of maximum water level and time taken for the tidal bore reaching under different test conditions at x=30.0 m
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