data-driven model
در نشریات گروه آب و خاک-
نقش آبشکن ها در حفاظت از دیواره رودخانه، آن ها را جزء موضوع های مهم مهندسی رودخانه قرار داده است. در این مطالعه، عملکرد دو مدل یادگیری ماشین شامل ماشین بردار پشتیبان (SVM) و برنامه ریزی بیان ژن (GEP) با نرم افزار FLOW-3D در شبیه سازی میزان دبی انحرافی در مقیاس آزمایشگاهی مقایسه شده است. برای مدل فیزیکی در یک فلوم آزمایشگاهی با دو نوع آبشکن T-شکل و L-شکل و با زاویه های 90 و 135 درجه برای انحراف دبی به کانال آبگیری شبیه سازی شد. سه متغیر مستقل شامل عدد فرود جریان، زاویه آبگیری و طول نسبی آبشکن ها برای مدل های یادگیری ماشین استفاده شدند. از 96 داده آزمایشگاهی، 70 درصد برای آموزش و 30 درصد برای آزمون مدل های یادگیری ماشین اختصاص یافت. سه شاخص RMSE، MAE و R² برای ارزیابی عملکرد مدل ها به کار گرفته شدند. نتایج تحقیق نشان داد که برنامه ریزی بیان ژن (GEP) نسبت به ماشین بردار پشتیبان (SVM) عملکرد بهتری دارد به طوری که در مرحله آموزش و آزمون، مقدار ضرایب ارزیابی عملکرد برای هر دو آبشکن T-شکل و L-شکل دارای برتری بودند. در نرم افزار FLOW-3D، ضریب زبری مانینگ و نوع معادله شبیه ساز آشفتگی در فرآیندهای واسنجی و صحت سنجی استفاده شدند. مقایسه بین مقادیر ارزیابی عملکرد نشان دهنده برتری نسبی GEP نسبت به FLOW-3D است.
کلید واژگان: دبی انحرافی، آبشکن، قوس رودخانه، مدل داده-مبنا، ارزیابی عملکردIntouduction:
Groynes at water intake locations significantly increase the flow diverted from rivers by optimizing incoming water control. Vaghefi and Ghodsian (2017) experimentally studied flow patterns around a T-shaped Groyne within a 90-degree arc using a moving bed. Shaker and Kashfipour (2013) compared flow velocity and shear stress distribution with and without Groynes. Behnam-Talab et al. (2018) simulated porous Groynes using FLOW-3D software. Shahinejad et al. (2022) applied a multi-objective algorithm to optimize T-shaped Groyne dimensions, achieving superior results, compared to previous designs. Zare and Honer (2016) investigated how simple Groynes reduce lateral erosion in river arches under laboratory conditions, emphasizing the influence of Groynes on erosion patterns. These studies collectively highlight the importance of Groyne design in enhancing water extraction and mitigating erosion.The review of literatures confirms that both laboratory and numerical studies have been conducted to examine the characteristics of various types of Groynes and the impact of flow patterns on them. However, there is a lack of studies addressing the simultaneous application and comparison of numerical and data-driven models in the investigation of geometric and hydraulic characteristics, particularly concerning the effect on the amount of diverted discharge from a canal into intake featuring T-shaped and L-shaped Groynes. Consequently, this research aims to evaluate the performance of two MLMs, specifically SVM and GEP in comparison with the Computational Fluid Dynamics (CFD)-based FLOW-3D model, on a laboratory scale.
Materials and MethodsGroynes play a crucial role in river engineering by regulating river flow. This study assesses the efficacy of two machine learning algorithms—support vector machine (SVM) and gene expression programming (GEP)—in comparison with FLOW-3D software for simulating diverted flow in a laboratory setting. The experimental model was tested in a laboratory flume with T-shaped and L-shaped Groynes positioned at 90 and 135-degree angles to channel the discharge into the intake system. The machine learning models incorporated three independent variables: the flow Froude number, the angle of water intake, and the relative length of the Groynes. Out of 96 laboratory data points, 70% were allocated for model training and 30% for model testing. Model performance was assessed using the root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE), and coefficient of determination (R²) indices.
Results and DiscussionThe results indicated that the GEP model surpassed the SVM model. For the L-shaped Groyne, the values for (R², MAE, RMSE) during both the training and testing phases were (0.9325, 0.9878, 1.2536) and (0.9836, 0.4102, 0.6325), respectively. For the T-shaped Groyne, the corresponding values were (0.9025, 1.2534, 1.8502) during training and (0.9873, 0.3337, 0.4972) during testing. In the FLOW-3D model, after calibration and validation, a Manning's roughness coefficient of 0.035 and the Prandtl's mixing length model were chosen for turbulence simulation. The performance indices during the testing phase for the L-shaped and T-shaped Groynes were (0.9607, 0.9363, 1.2070) and (0.9513, 1.1256, 1.3759), respectively. The GEP model showed a relative advantage over the FLOW-3D model.
Concutions:
This study compares the performance of MLMs (SVM, GEP) with FLOW-3D in simulating diverted flow using T-shaped and L-shaped Groynes. Results from laboratory flume tests showed GEP outperformed SVM and FLOW-3D, particularly in simulating flow diversion, evaluated by RMSE, MAE, and R² performance indices.
Keywords: Diverted Flow, Computational Fluid Dynamics, Data-Driven Model, Performance Assessment -
نشریه علوم آب و خاک (علوم و فنون کشاورزی و منابع طبیعی)، سال بیست و پنجم شماره 4 (پیاپی 98، زمستان 1400)، صص 253 -266
در این مطالعه دقت مدل های ANFISو ANFIS-PSO در برآورد ویژگی های پرش هیدرولیکی شامل نسبت اعماق مزدوج، طول نسبی، طول غلتاب نسبی و افت انرژی نسبی در یک حوضچه آرامش در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی ارزیابی شد. این ویژگی ها در حوضچه آزمایشگاهی با مقطع مستطیلی با 4 شیب معکوس، 4 قطر زبری بستر، 4 ارتفاع پله مثبت انتهایی، 3 عدد فرود و 4 دبی اندازه گیری شدند. میانگین پارامترهای آماری NRMSE، CRM و R2 برای برآورد ویژگی های پرش هیدرولیکی توسط مدل ANFIS، به ترتیب 0/059، 0/001- و 0/989 بدر این مطالعه دقت مدل های ANFISو ANFIS-PSO در برآورد ویژگی های پرش هیدرولیکی شامل نسبت اعماق مزدوج، طول نسبی، طول غلتاب نسبی و افت انرژی نسبی در یک حوضچه آرامش در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی ارزیابی شد. این ویژگی ها در حوضچه آزمایشگاهی با مقطع مستطیلی با 4 شیب معکوس، 4 قطر زبری بستر، 4 ارتفاع پله مثبت انتهایی، 3 عدد فرود و 4 دبی اندازه گیری شدند. میانگین پارامترهای آماری NRMSE، CRM و R2 برای برآورد ویژگی های پرش هیدرولیکی توسط مدل ANFIS، به ترتیب 0/059، 0/001- و 0/989 بود. درحالی که مقادیر میانگین پارامترهای یادشده برای مدل ANFIS-PSO به ترتیب 0/185، 0/002 و 0/957 بود. نتایج حاصل نشان داد که این مدل ها قادرند ویژگی های پرش هیدرولیکی را با دقت بسیار زیاد برآورد نمایند. البته مدل ANFIS در برآورد نسبت اعماق مزدوج، طول پرش نسبی ، طول غلتاب نسبی و افت انرژی نسبی نسبت به مدل ANFIS-PSO اندکی دارای دقت بیشتری بود.ود. درحالی که مقادیر میانگین پارامترهای یادشده برای مدل ANFIS-PSO به ترتیب 0/185، 0/002 و 0/957 بود. نتایج حاصل نشان داد که این مدل ها قادرند ویژگی های پرش هیدرولیکی را با دقت بسیار زیاد برآورد نمایند. البته مدل ANFIS در برآورد نسبت اعماق مزدوج، طول پرش نسبی ، طول غلتاب نسبی و افت انرژی نسبی نسبت به مدل ANFIS-PSO اندکی دارای دقت بیشتری بود.
کلید واژگان: پرش هیدرولیکی، مدل داده مبنا، نسبت اعماق مزدوج، افت انرژی نسبی پرشIn this study accuracy of the ANFIS and ANFIS-PSO models to estimate hydraulic jump characteristics including sequence depth ratio, the jump length, the roller length ratio, and relative energy loss was evaluated in stilling basin versus laboratory results. The mentioned characteristics were measured in the stilling basin with a rectangular cross-section with four different adverse slopes, four diameters of bed roughness, four heights of positive step, three Froude numbers, and four discharges. The average statistical parameters of NRMSE, CRM, and R2 for estimating hydraulic jump characteristics with the ANFIS model were 0.059, -0.001, and 0.989, respectively. While, the mean values of these parameters for the ANFIS-PSO model were 0.185, 0.002, and 0.957, respectively. The results indicated that these models were capable of estimating hydraulic jump parameters with high accuracy. However, the ANFIS model was moderately more accurate than the ANFIS-PSO model to estimate the sequence depth ratio, the jump length, the roller length ratio, and relative energy loss.
Keywords: Hydraulic jump, Data-Driven model, Sequence depth ratio, Relative energy loss
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.