When a fluid flows over a solid surface, it creates a thin boundary layer where the flow velocity is influenced by the surface through viscosity, and can transition from laminar to turbulent at sufficiently high speeds. Understanding and forecasting the wind dynamics under these conditions is one of the most challenging scientific problems in fluid dynamics. It is therefore of high interest to formulate models able to capture the nonlinear spatio-temporal velocity structure as well as produce forecasts in a computationally efficient manner. Traditional statistical approaches are limited in their ability to produce timely forecasts of complex, nonlinear spatio-temporal structures which are at the same time able to incorporate the underlying flow physics. In this work, we propose a model to accurately forecast boundary layer velocities with a deep double reservoir computing network which is capable of capturing the complex, nonlinear dynamics of the boundary layer while at the same time incorporating physical constraints via a penalty obtained by a Partial Differential Equation (PDE). Simulation studies on a one-dimensional viscous fluid demonstrate how the proposed model is able to produce accurate forecasts while simultaneously accounting for energy loss. The application focuses on boundary layer data on a wind tunnel with a PDE penalty derived from an appropriate simplification of the Navier-Stokes equations, showing forecasts more compliant with mass conservation.


翻译:当流体流经固体表面时,会形成一个薄边界层,其中流速通过粘性受表面影响,并在足够高的速度下从层流转变为湍流。理解并预测这些条件下的风动力学是流体力学中最具挑战性的科学问题之一。因此,构建能够捕捉非线性时空速度结构并以计算高效的方式进行预测的模型具有高度重要性。传统的统计方法在及时预测复杂、非线性时空结构方面能力有限,且难以同时结合底层流动物理。在本研究中,我们提出了一种模型,用于准确预测边界层速度,该模型采用深度双储层计算网络,能够捕捉边界层的复杂非线性动力学,同时通过偏微分方程(PDE)获得的惩罚项来引入物理约束。针对一维粘性流体的模拟研究表明,所提出的模型能够在准确预测的同时考虑能量损失。应用重点在于风洞中的边界层数据,使用基于纳维-斯托克斯方程适当简化推导出的PDE惩罚项,结果显示预测更符合质量守恒。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
《基于深度强化学习的反无人机技术研究》178页
“史诗怒火”行动与“AI中心战”模式的浮现
专知会员服务
5+阅读 · 6月10日
【CVPR2026教程】扩散模型的解析理解
专知会员服务
2+阅读 · 6月10日
马赛克战:俄乌战场透析
专知会员服务
15+阅读 · 6月10日
《利用人工智能增强军事决策》
专知会员服务
7+阅读 · 6月10日
《自动机器学习在军事数据耕耘法中的应用》
专知会员服务
9+阅读 · 6月10日
为何指挥所生存能力要求范式转变
专知会员服务
6+阅读 · 6月10日
打造“新蛛网”模式与高科技动员
专知会员服务
5+阅读 · 6月10日
“蛛网”行动一周年:远程无人机战争
专知会员服务
3+阅读 · 6月10日
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Hierarchical Imitation - Reinforcement Learning
CreateAMind
19+阅读 · 2018年5月25日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2016年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员