基于机器学习的复杂流动建模正在成为描述多相流体系统的一种有前途的方法。这项工作展示了一个基于物理信息的神经网络如何在没有复杂算法的情况下促进传统控制方程和高级界面演化方程的结合。我们为二维不混溶不可压缩两相流的相场法(PF-PINN)开发了基于物理信息的神经网络。将Cahn–Hillard方程和Navier–Stokes方程直接编码到全连接神经网络的残差中。与传统的界面捕获方法相比,相场模型基于金兹堡–朗道理论,并且守恒质量和能量,具有坚实的物理基础。它在大密度比的两相流中也表现良好。然而,Cahn–Hilliard方程的高阶微分非线性项对获得数值解提出了很大的挑战。因此,在这项工作中,我们采用神经网络来解决这一挑战,通过求解高阶导数项并自适应捕获接口。为了提高PF-PINN的准确性和效率,我们使用了时间推进策略以及密度和粘度的强制约束。通过两个案例对PF-PINN进行测试,以展示PINN的界面捕获能力,并评估PF-PINNs在大密度比(高达1000)下的准确性。这两种情况下的界面形状与参考结果吻合良好,并且精确地捕捉到了第二种情况的动态行为。为了验证目的,我们还量化了质心和速度随时间的变化。结果表明,PF-PINN在不牺牲相场法高精度的情况下利用了自动微分。

1
P.J.公司。
施密德
J。
泽斯特亨
,
数值和实验数据的动态模式分解
(
剑桥大学出版社
,
2010
),第页。
5
28
.
2
T。
村田
,
英国。
富卡米
、和
英国。
福卡加塔
, “
流体动力学的卷积神经网络非线性模式分解
,”
J.流体力学。
882
,
答13
(
2020
).
三。
C.W.公司。
罗利
秒时米。
道森
, “
流量分析和控制的模型简化
,”
每年。流体力学版次。
49
,
387
417
(
2017
).
4
瑞典。
艾哈迈德
,
美国。
帕瓦尔
,
O。
存储区域网络
,
答:。
拉希德
,
T。
伊利埃斯库
、和
B.R.公司。
诺亚克
, “
关于降阶模型的闭包——机器学习道路的第一原理谱
,”
物理学。流体
33
,
091301
(
2021
).
5
第页。
,
美国。
,
英国。
平移
,
F、。
,
西。
、和
C、。
疼痛
, “
基于自关注卷积自编码器的降阶模型
,”
物理学。流体
33
,
077107
(
2021
).
6
R。
莫利克
,
B。
露西(Lusch)
、和
第页。
巴拉普拉卡什
, “
基于递归神经网络和卷积自编码器的对流主导系统降阶建模
,”
物理学。流体
33
,
037106
(
2021
).
7
B。
科尔弗特
,
M。
阿尔萨尔曼
、和
E。
坎索
, “
利用神经网络对涡旋尾迹进行分类
,”
生物灵感仿生学
13
,
025003
(
2018
).
8
B.L.公司。
,
Z.X公司。
,
十、。
,
G.W.公司。
、和
L。
, “
利用机器学习检测圆柱绕流中的湍流区域
,”
J.流体力学。
905
,
A10号机组
(
2020
).
9
M.Y.(月)。
医学硕士。
赫马蒂
, “
用流体动力传感器探测奇异尾迹
,”
西奥。计算。流体动力学。
33
,
235
254
(
2019
).
10
小时。
J。
棕褐色
, “
基于聚类的马尔可夫模型用于理解超音速混合层的过渡动力学
,”
物理学。流体
32
,
056104
(
2020
).
11
Z.公司。
,
X、D。
歌曲
,
S.R.公司。
Ye(是)
,
Y.W.公司。
,
C.G.公司。
Huang(黄)
,
Y.R.公司。
、和
Y.S.公司。
, “
基于DNS数据降阶建模的深度学习方法在渠道水流雷诺应力模型中的应用
,”
J.Hydrodyn公司。
31
,
58
65
(
2019
).
12
H。
,
J.L公司。
,
J.X.公司。
,
R。
太阳
、和
C、。
罗伊
, “
量化和减少雷诺平均Navier–Stokes模拟中的模型形式不确定性:一种数据驱动、基于物理的贝叶斯方法
,”
J.计算。物理学。
324
,
115
136
(
2016
).
13.
A.P.公司。
辛格
,
美国。
梅迪达
、和
英国。
杜赖萨米
, “
翼型湍流分离流动的机器学习增强预测建模
,”
美国汽车协会J。
55
,
2215
2227
(
2017
).
14
D。
施密特
,
R。
莫利克
、和
英国。
天琴座
, “
瞬态闪光射流的机器学习加速湍流建模
,”
物理学。流体
33
,
127104
(
2021
).
15
L。
,
西。
,
J。
、和
年。
线路接口单元
, “
翼型亚音速绕流湍流建模的机器学习方法
,”
物理学。流体
31
,
015105
(
2019
).
16
美国。
塔吉扎德
,
F.D.公司。
威瑟顿
,
年。
哈桑
、和
S.S.公司。
吉里马吉
, “
基于数据驱动技术的湍流闭合建模:可推广深度神经网络的研究
,”
物理学。流体
33
,
115132
(
2021
).
17
I.E.公司。
Lagaris公司
,
答:。
利卡斯
、和
D.I.公司。
福蒂亚迪斯
, “
求解常微分方程和偏微分方程的人工神经网络
,”
IEEE传输。神经网络
9
,
987
1000
(
1998
).
18
M。
拉伊西
,
第页。
佩迪卡里斯
、和
通用电气公司。
卡尼亚达基斯
, “
基于物理的神经网络:用于解决非线性偏微分方程正反问题的深度学习框架
,”
J.计算。物理学。
378
,
686
707
(
2019
).
19
L。
,
X·H。
,
Z.P.公司。
、和
通用电气公司。
卡尼亚达基斯
, “
DeepXDE:解微分方程的深度学习库
,”
SIAM版本。
63
,
208
228
(
2021
).
20
H。
,
L。
太阳
、和
J.-X.公司。
, “
基于物理信息的无高分辨率卷积神经网络的流体超分辨率和去噪
,”
物理学。流体
33
,
073603
(
2021
).
21
H。
,
年。
线路接口单元
、和
美国。
, “
基于物理信息神经网络的粒子图像测速/粒子跟踪测速密集速度重建
,”
物理学。流体
34
,
017116
(
2022
).
22
答:。
阿尔扎尼
,
J.-X.公司。
、和
风险管理。
D'Souza公司
, “
基于物理信息的神经网络从稀疏数据中发现近壁血流
,”
物理学。流体
33
,
071905
(
2021
).
23
S.L.公司。
布伦顿
,
B.R.公司。
诺亚克
、和
第页。
库穆塔科斯
, “
流体力学的机器学习
,”
每年。流体力学版次。
52
,
477
508
(
2020
).
24
通用电气公司。
卡尼亚达基斯
,
例如。
凯夫雷基迪斯
,
L。
,
第页。
佩迪卡里斯
,
第页。
、和
L。
, “
基于物理的机器学习
,”
自然修订版物理。
,
422
440
(
2021
).
25
X·W。
,
南部地区。
,
H。
、和
通用电气公司。
卡尼亚达基斯
, “
NSFnets(Navier–Stokes流网):不可压缩Navier-Stokes方程的物理信息神经网络
,”
J.计算。物理学。
426
,
109951
(
2021
).
26
N。
日内瓦
N。
扎巴拉斯
, “
基于物理约束的深度自回归网络的PDE系统动力学建模
,”
J.计算。物理学。
403
,
109056
(
2020
).
27
R。
劳布舍尔
, “
基于物理信息神经网络的多品种流动与传热模拟
,”
物理学。流体
33
,
087101
(
2021
).
28
H。
,
西。
、和
年。
, “
通过基于物理的深度学习探索缺失的流动动力学:参数化控制系统
,”
物理学。流体
33
,
095116
(
2021
).
29
S.Z。
,
Z.C.公司。
,
F、。
菲斯特
,
杨杰(Y.J.)。
Jeon(吉恩)
,
C、。
灰色
、和
通用电气公司。
卡尼亚达基斯
, “
咖啡杯上的流动:通过物理信息神经网络从断层背景纹影法推断三维速度和压力场
,”
J.流体力学。
915
,
A102地址
(
2021
).
30
Z.P.公司。
,
公元。
Jagtap公司
、和
通用电气公司。
卡尼亚达基斯
, “
高速流动的物理信息神经网络
,”
计算。方法应用。机械。工程师。
360
,
112789
(
2020
).
31
标准F。
第页。
佩迪卡里斯
, “
自由边界和Stefan问题的深度学习
,”
J.计算。物理学。
428
,
109914
(
2021
).
32
答:B。
布亨德瓦
,
美国。
阿达米
、和
编号:A。
亚当斯
, “
基于物理信息的神经网络从界面运动推断不可压缩两相流场
,”
机器。学习。申请。
4
,
100029
(
2021
).
33.
C.W.公司。
赫特
出生日期。
尼科尔斯
, “
自由边界动力学的流体体积(VoF)方法
,”
J.计算。物理学。
39
,
201
225
(
1981
).
34
M。
苏斯曼
,
第页。
斯梅雷卡
、和
美国。
奥瑟
, “
计算不可压缩两相流解的水平集方法
,”
J.计算。物理学。
114
,
146
159
(
1994
).
35
D。
阿达尔斯泰森
J.A.公司。
塞提安
, “
传播接口的快速水平集方法
,”
J.计算。物理学。
118
,
269
277
(
1995
).
36
G.公司。
特里格瓦松
,
B。
邦纳
,
答:。
埃斯梅利
,
D。
尤里奇
,
N。
阿尔·拉瓦希
,
西。
Tauber公司
,
J。
汉族
,
美国。
美国国家科学院
、和
杨杰(Y.J.)。
, “
多相流计算的前沿跟踪方法
,”
J.计算。物理学。
169
,
708
759
(
2001
).
37.
J.U。
Brackbill公司
,
D.B.博士。
科特
、和
C、。
泽马赫
, “
模拟表面张力的连续体方法
,”
J.计算。物理学。
100
,
335
354
(
1992
).
38
H。
,
P.D.公司。
拼写
、和
C、。
, “
大密度比不可压两相流扩散界面模型
,”
J.计算。物理学。
226
,
2078
2095
(
2007
).
39.
美国。
阿兰德
答:。
沃伊格特
, “
二维气泡动力学扩散界面模型的基准计算
,”
国际期刊数字。方法流体
69
,
747
761
(
2012
).
40
Z.Y.公司。
Huang(黄)
,
G.公司。
、和
上午。
阿德卡尼
, “
模拟不可压缩两相流的一致、基本保守和平衡力相场方法
,”
J.计算。物理学。
406
,
109192
(
2020
).
41
总重量。
,
J。
、和
X·J。
, “
界面压缩扩散界面法及其在多相流中的应用
,”
物理学。流体
31
,
122102
(
2019
).
42
年。
,
Z.公司。
,
L.Q.有限责任公司。
,
J·Z。
,
Y.W.公司。
,
H。
线路接口单元
、和
C.G.公司。
Huang(黄)
, “
基于谱元的不可压缩两相流相场方法
,”
物理学。流体
34
,
022114
(
2022
).
43
米。
古尔丁
,
D。
波利尼奥内
、和
J。
维纳尔斯
, “
用序参数描述的两相二元流体和不混溶流体
,”
数学。模型方法应用。科学。
06
,
815
831
(
1996
).
44
C、。
妈妈
,
J。
、和
T。
, “
不可压缩两相流的高阶谱差相场格子Boltzmann方法
,”
物理学。流体
32
,
122113
(
2020
).
45
J。
,
十、。
,
M。
、和
J。
, “
不同密度广义水动力相场模型的能量稳定和质量守恒数值方法
,”
物理学。流体
32
,
117103
(
2020
).
46
答:。
达德万德
,
M。
巴盖里
,
N。
Samkhaniani公司
,
H。
马尔沙尔
、和
M。
沃纳
, “
Cahn–Hilliard Navier–Stokes方程有界解的平流相场方法
,”
物理学。流体
33
,
053311
(
2021
).
47
答:。
德罗西斯
E。
伊南
, “
不可压缩双组分流动的三维相场格子Boltzmann方法
,”
物理学。流体
33
,
043315
(
2021
).
48
年。
,
C、。
,
J.Y.(纽约)。
,
J。
、和
X、D。
, “
质量守恒扩散界面法及其在大密度比不可压缩多相流中的应用
,”
J.计算。物理学。
290
,
336
351
(
2015
).
49
J·D·。
范德瓦尔斯
, “
密度连续变化假设下的毛细现象热力学理论
,”
《统计物理学杂志》。
20
,
200
244
(
1979
).
50
J·W·。
卡恩
J·E。
希利亚德
, “
非均匀系统的自由能。一、界面自由能
,”
化学杂志。物理学。
28
,
258
267
(
1958
).
51
J·W·。
卡恩
J·E。
希利亚德
, “
非均匀系统的自由能。三、 双组分不可压缩流体中的成核
,”
化学杂志。物理学。
31
,
688
699
(
1959
).
52
A.G.公司。
贝丁
,
B.A。
珠穆特
,
答:A。
拉杜尔
、和
J·M·。
西斯金德
, “
机器学习中的自动微分:综述
,”
J.马赫。学习。物件。
18
,
1
(
2018
).
53
D.P.公司。
金马牌手表
J。
文学士
, “
Adam:一种随机优化方法
,”arXiv:1412.6980(
2014
).
54
十、。
格洛洛特
年。
本吉奥
, “
理解训练深度前馈神经网络的困难
,“in
第十三届国际人工智能与统计会议记录
(
JMLR研讨会和会议记录
,
2010
),第页。
249
256
.
55
答:。
帕斯克
,
美国。
总量
,
F、。
马萨
,
答:。
莱雷尔
,
J。
布拉德伯里
,
G.公司。
沙南
,
T。
基林
,
Z.公司。
,
N。
吉梅尔谢恩
,
L。
安蒂加
等,“
PyTorch:一个命令式、高性能的深度学习库
,“in
神经信息处理系统进展32
由H.Wallach、H.Larochelle、A.Beygelzimer、F.d'Alché-Buc、E.Fox、R.Garnett编辑(Curran Associates,Inc,2019),第32卷;可在获取https://proceedings.neurips.cc/paper/2019/file/bdbca288fee7f92f2bfa9f7012727740-paper.pdf.
56
C.L.公司。
怀特
J。
, “
使用自适应物理信息神经网络求解Allen–Cahn和Cahn–Hilliard方程
,”arXiv:2007.04542号(
2020
).
57
S.R.公司。
海辛
,
美国。
图雷克
,
D。
库兹明
,
N。
帕罗利尼
,
E。
伯曼
,
美国。
甘尼桑
、和
L。
托比斯卡
, “
二维气泡动力学的定量基准计算
,”
国际期刊数字。方法流体
60
,
1259
1288
(
2009
).
58
南卡罗来纳州。
J。
, “
一种包含常系数矩阵的时间步进方案,用于大密度比两相不可压缩流的相场模拟
,”
J.计算。物理学。
231
,
5788
5804
(
2012
).
您当前无权访问此内容。