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使用具有不变性的随机森林对雷诺应力张量进行数据驱动建模。 (英语) 兹比尔1519.76091

摘要:提出了一种新的机器学习算法,作为雷诺平均Navier-Stokes(RANS)模拟的数据驱动湍流建模工具。该机器学习算法称为张量基随机森林(TBRF),用于预测雷诺应力各向异性张量,同时利用张量基保证伽利略不变性。通过修改随机森林算法以接受这种张量基,创建了一个健壮、易于实现和易于训练的算法。该算法使用DNS/LES数据对几种流动情况进行训练,并用于预测新的、未知流动的雷诺应力各向异性张量。湍流各向异性的结果预测被用作自定义RANS解算器内的湍流模型。该解算器的稳定性是必要的,它是通过延拓方法和修正的(k)-方程实现的。结果与神经网络方法进行了比较J.凌等【流体力学杂志807,155-166(2016;Zbl 1383.76175号)]。结果表明,TBRF算法能够准确预测各种流动情况下的各向异性张量,可实现的预测接近于DNS/LES参考数据。方形管道流和后向台阶流的相应平均流量与DNS和实验数据吻合良好。总的来说,这些结果被视为改进湍流数据驱动模型的下一步。这创造了一个为特定类别的流生成自定义湍流闭合的机会,仅受LES/DNS数据可用性的限制。

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76层65 湍流的直接数值模拟和大涡模拟
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参考文献:

[1] Akolekar,H.D。;桑德伯格,R.D。;哈钦斯,N。;米歇拉西五世。;Laskowski,G.,非定常流入条件下液化石油气的机械学习湍流封闭,第15届非定常空气动力学、气动声学和涡轮机械气动弹性国际研讨会论文集(2018年)
[2] 班纳吉,S。;Krahl,R。;杜斯特,F。;Zenger,C.,湍流各向异性特性的表示,不变量与特征值方法,J Turbul,8,32(2007)·兹比尔1273.76244
[3] Bentaleb,Y。;拉多,S。;Leschziner,M.,湍流中颗粒轨迹的几何特性,《湍流杂志》,13,1-28(2012)
[4] Brent,R.P.,《函数零点的保收敛算法》,《无导数极小化算法》(1973),Prentice-Hall·Zbl 0245.65032号
[5] 布鲁尔,M。;佩勒,N。;拉普,C。;Manhart,M.,《周期性山丘上的流动——大范围雷诺数的数值和实验研究》,计算流体,38,2,433-457(2009)·Zbl 1237.76026号
[6] 陈晓伟。;Lin,X.,《大数据深度学习:挑战与展望》,IEEE Access,2514-525(2014)
[7] Cheung,S.H。;Oliver,T.A。;普鲁登西奥,E.E。;Prudhomme,S。;Moser,R.D.,贝叶斯不确定性分析及其在湍流建模中的应用,Reliab Eng Syst Saf,96,9,1137-1149(2011)
[8] Chipman,H.A。;E.I.乔治。;McCulloch,R.E.,Bart:贝叶斯加性回归树,Ann Appl Stat,4,1,266-298(2010)·Zbl 1189.62066号
[9] Craft,T.J。;朗德,B.E。;Suga,K.,湍流立方涡粘性模型的发展和应用,《国际热流杂志》,17,2,108-115(1996)
[10] Duraisamy,K。;艾卡里诺,G。;Xiao,H.,《数据时代的湍流建模》,《流体力学年鉴》,51,1-23(2019)
[11] Duraisamy,K。;张志杰。;Anand,P.S.,《使用数据驱动技术进行湍流和转捩建模的新方法》,第53届AIAA航空航天科学会议,1-14(2015)
[12] Edeling,W.N。;Cinnella,P。;Dwight,R.P.,《通过贝叶斯模型场景平均进行预测性RANS模拟》,《计算物理杂志》,第275期,10月,第65-91页(2014年)·Zbl 1349.76106号
[13] 埃默里,M。;拉尔森,J。;Iacarino,G.,《雷诺平均Navier-Stokes闭合区结构不确定性建模》,《物理流体》,第25、11页(2013年)
[14] 埃斯波西托,F。;Malerba,D。;Semeraro,G.,《决策树修剪方法的比较分析》,IEEE Trans-Pattern Ana Mach Intell,19,5,476-491(1997)
[15] 佐丹奴,R。;斯蒂芬森,W。;刘,R。;M.I.乔丹。;Broderick,T.,《瑞士军队的无限小折刀》,第22届国际人工智能与统计会议论文集,日本冲绳那霸(2019)
[16] 哈斯蒂,T。;蒂布希拉尼,R。;Friedman,J.,《统计学习的要素》(2008),施普林格出版社
[17] Higham,N.J.,《矩阵的函数:理论与计算》(2008),工业与应用数学学会:美国宾夕法尼亚州费城工业与应用数学家学会·Zbl 1167.15001号
[18] Jovic,S。;Driver,D.,低雷诺数下的后向台阶测量,NASA技术备忘录108807(1994)
[19] http://resolver.tudelft.nl/uuid:f833e151-7c0f-414c-8217-5af783c88474。
[20] Kaandorp,M。;Dwight,R.P.,Tensor基础随机森林github存储库(2019年)
[21] https://arxiv.org/pdf/1412.6980.pdf。
[22] Knoll,D.A。;Keyes,D.E.,无Jacobian牛顿-克利洛夫方法:方法和应用调查,计算物理杂志,193,357-397(2004)·兹比尔1036.65045
[23] 朗德,B。;Spalding,D.,湍流的数值计算,应用机械工程的计算方法,3,2,269-289(1974)·Zbl 0277.76049号
[24] 拉瓦尔,J.-P。;Marquillie,M.,《汇聚-分流河道水流的直接数值模拟》,《壁湍流的进展:理解和建模》,203-209年(2011年)
[25] Le,H。;Moin,P.,《后向台阶湍流流动的直接数值模拟》,161-173(1992),斯坦福大学湍流研究中心,年度研究简报
[26] Le,H。;梅因,P。;Kim,J.,《后向台阶湍流的直接数值模拟》,《流体力学杂志》,330349-374(1997)·Zbl 0900.76367号
[27] 留置权,F。;Chen,W。;Leschziner,M.A.,基于非线性应力应变/涡度关系的低雷诺数涡流粘度模型,工程湍流模型和实验3,91-100(1996),Elsevier Science
[28] Ling,J。;Jones,R。;Templeton,J.,《不变性系统的机器学习策略》,《计算物理杂志》,318,22-35(2016)·Zbl 1349.76124号
[29] Ling,J。;Kurzawski,A。;Templeton,J.,使用嵌入不变性的深度神经网络进行雷诺平均湍流建模,《流体力学杂志》,807155-166(2016)·Zbl 1383.76175号
[30] Ling,J。;Templeton,J.,预测雷诺平均Navier-Stokes不确定性较高区域的机器学习算法评估,Phys Fluids,27,8(2015)
[31] Lumley,J.L.,湍流的计算建模,《高级应用力学》,第18期,第123-176页(1979年)·Zbl 0472.76052号
[32] Lumley,J.L。;Newman,G.R.,《均匀湍流各向同性的回归》,《流体力学杂志》,82,1,161-178(1977)·Zbl 0368.76055号
[33] Meinshausen,N.,分位数回归森林,J Mach Learn Res,7983-999(2006)·Zbl 1222.68262号
[34] 曼奇,L。;胡克,G.,《通过置信区间和假设检验量化随机森林中的不确定性》,J Mach Learn Res,17,1-41(2016)·Zbl 1360.62095号
[35] Murphy,K.P.,《机器学习:概率观点》(2012),麻省理工学院出版社·Zbl 1295.68003号
[36] E.J.帕里什。;Duraisamy,K.,《使用场反演和机器学习的数据驱动预测建模范式》,《计算物理杂志》,305758-774(2016)·兹比尔1349.76006
[37] Pecnik,R。;Iacarino,G.,使用v2-f模型预测湍流二次流,333-343(2007),斯坦福大学湍流研究中心,年度研究简报
[38] Pinelli,A。;乌尔曼,M。;Sekimoto,A。;Kawahara,G.,方形管道湍流中平均流动结构的雷诺数依赖性,《流体力学杂志》,644,107(2010)·Zbl 1189.76265号
[39] Pope,S.B.,《一个更普遍的有效粘度假设》,《流体力学杂志》,72,2,331-340(1975)·Zbl 0315.76024号
[40] Pope,S.B.,《湍流》(2000),剑桥大学出版社·Zbl 0966.76002号
[41] 拉斯穆森,C.E。;Williams,C.K.I.,机器学习的高斯过程(2006),麻省理工学院出版社·Zbl 1177.68165号
[42] Reynolds,O.,《关于不可压缩粘性流体的动力学理论和准则的确定》,Philos Trans R Soc Lond A,186,123-164(1895)
[43] 罗伊,M.-H。;Larocque,D.,评估平面通道流DNS数据统计误差的方法,《非参数统计杂志》,24993-1006(2012)·Zbl 1254.62055号
[44] Shih,T.-h。;朱,J。;Lumley,J.L.,《可实现的雷诺应力代数方程模型》,NASA技术备忘录105993(1993)
[45] 辛格,A.P。;Medida,S。;Duraisamy,K.,翼型湍流分离流的机器学习增强预测建模(2016)
[46] 斯洛特尼克,J。;Khodadoust,A。;阿隆索,J。;Darmofal,D。;格罗普,W。;Lurie,E.,《CFD愿景2030研究:革命性计算航空科学之路》,美国国家航空航天局技术报告NASA/CR-2014-21878(2014)
[47] 斯佩齐亚莱,C.G。;Sarkar,S。;Gatski,T.B.,《湍流的压力-应变关系建模:不变动力系统方法》,《流体力学杂志》,227,12月,245-272(1991)·Zbl 0728.76052号
[48] 北斯利瓦斯塔瓦。;辛顿,G.E。;Krizhevsky,A。;Sutskever,I。;Salakhutdinov,R.,《辍学:防止神经网络过度拟合的简单方法》,J Mach Learn Res,1929-1958(2014)·兹比尔1318.68153
[49] 汤普森,R.L。;Sampaio,L.E.B。;de Bragana Alves,F.A。;泰国,L。;Mompean,G.,评估平面通道流DNS数据统计误差的方法,计算流体,130,1-7(2016)·Zbl 1390.76226号
[50] 特蕾西,B。;Duraisamy,K。;Alonso,J.J.,应用监督学习量化湍流和燃烧建模中的不确定性,第51届AIAA ASM,包括新视野论坛和航空航天博览会(2013年)
[51] Wang J.-X.,Wu J.,Ling J.,Iacarino G.,Xiao H.预测湍流建模的综合物理信息机器学习框架;2017http://arxiv.org/abs/1701.07102。
[52] 王,Q。;Dow,E.A.,《k-omega湍流模型中结构不确定性的量化》(2010),湍流研究中心,《夏季计划论文集》
[53] Weatheritt,J。;Sandberg,R.,应用于RANS应力应变关系代数修改的新型进化算法,《计算物理杂志》,325,22-37(2016)·Zbl 1375.76141号
[54] Wilcox,D.C.,《重新审视k-w湍流模型的公式》,AIAA J,46,11,2823-238(2008)
[55] http://arxiv.org/abs/1606.07987。
[56] https://arxiv.org/abs/1803.05581。 ·Zbl 1429.76066号
[57] Xiao,H。;王,J.-x。;Ghanem,R.G.,量化湍流建模中模型形式不确定性的随机矩阵方法,Comput Methods Appl Mech Eng,313941-965(2016)·Zbl 1439.76037号
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