The objective of this study is to assess the capability of convolution-based neural networks to predict wall quantities in a turbulent open channel flow. The first tests are performed by training a fully-convolutional network (FCN) to predict the 2D velocity-fluctuation fields at the inner-scaled wall-normal location $y^{+}_{\rm target}$, using the sampled velocity fluctuations in wall-parallel planes located farther from the wall, at $y^{+}_{\rm input}$. The predictions from the FCN are compared against the predictions from a proposed R-Net architecture. Since the R-Net model is found to perform better than the FCN model, the former architecture is optimized to predict the 2D streamwise and spanwise wall-shear-stress components and the wall pressure from the sampled velocity-fluctuation fields farther from the wall. The dataset is obtained from DNS of open channel flow at $Re_{\tau} = 180$ and $550$. The turbulent velocity-fluctuation fields are sampled at various inner-scaled wall-normal locations, along with the wall-shear stress and the wall pressure. At $Re_{\tau}=550$, both FCN and R-Net can take advantage of the self-similarity in the logarithmic region of the flow and predict the velocity-fluctuation fields at $y^{+} = 50$ using the velocity-fluctuation fields at $y^{+} = 100$ as input with about 10% error in prediction of streamwise-fluctuations intensity. Further, the R-Net is also able to predict the wall-shear-stress and wall-pressure fields using the velocity-fluctuation fields at $y^+ = 50$ with around 10% error in the intensity of the corresponding fluctuations at both $Re_{\tau} = 180$ and $550$. These results are an encouraging starting point to develop neural-network-based approaches for modelling turbulence near the wall in large-eddy simulations.


翻译:本研究旨在评估基于卷积的神经网络预测湍流明渠流动中壁面量的能力。首先通过训练全卷积网络(FCN)进行测试,利用距壁面较远位置$y^{+}_{\rm input}$处的壁面平行平面上的采样速度脉动,预测内尺度法向位置$y^{+}_{\rm target}$上的二维速度脉动场。将FCN的预测结果与所提出的R-Net架构的预测结果进行对比。由于R-Net模型的性能优于FCN模型,因此对前者架构进行优化,利用距壁面较远位置的采样速度脉动场预测二维流向和展向壁面剪切应力分量及壁面压力。数据集来源于$Re_{\tau} = 180$和$550$条件下明渠流动的直接数值模拟(DNS)。在不同内尺度法向位置采集湍流速度脉动场,同时获取壁面剪切应力和壁面压力数据。在$Re_{\tau}=550$时,FCN和R-Net均可利用流动对数区的自相似性,以$y^{+} = 100$处的速度脉动场作为输入预测$y^{+} = 50$处的速度脉动场,流向脉动强度预测误差约为10%。此外,R-Net还能利用$y^{+} = 50$处的速度脉动场预测壁面剪切应力和壁面压力场,在$Re_{\tau} = 180$和$550$条件下对应脉动强度误差均在10%左右。这些结果为在大涡模拟中发展基于神经网络的近壁湍流建模方法提供了令人鼓舞的起点。

0
下载
关闭预览

相关内容

剑桥大学《数据科学: 原理与实践》课程,附PPT下载
专知会员服务
54+阅读 · 2021年1月20日
专知会员服务
61+阅读 · 2020年3月19日
100+篇《自监督学习(Self-Supervised Learning)》论文最新合集
专知会员服务
167+阅读 · 2020年3月18日
GNN 新基准!Long Range Graph Benchmark
图与推荐
0+阅读 · 2022年10月18日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2008年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年4月20日
Arxiv
12+阅读 · 2022年11月21日
Arxiv
16+阅读 · 2022年11月1日
Arxiv
12+阅读 · 2018年9月5日
Arxiv
26+阅读 · 2018年2月27日
VIP会员
最新内容
ECCV 2026 | MIMFlow:MIM与归一化流统一图像生成
专知会员服务
2+阅读 · 今天11:43
网状网络及其在军事领域的运用
专知会员服务
5+阅读 · 今天6:18
无美国参与的欧洲战争方式(万字长文)
专知会员服务
6+阅读 · 今天5:54
《国防领域敏感性分析白皮书》
专知会员服务
7+阅读 · 今天3:42
综述 | 从问答到任务完成:Agent系统与Harness设计
Agentic RL:框架、实践与长程智能体训练
专知会员服务
7+阅读 · 6月24日
重新思考无人机时代的生存能力
专知会员服务
9+阅读 · 6月24日
装甲突击旅:现代战争思考、战斗与组织
专知会员服务
7+阅读 · 6月24日
在人工智能加速决策环境中拓展OODA循环
专知会员服务
9+阅读 · 6月24日
相关VIP内容
剑桥大学《数据科学: 原理与实践》课程,附PPT下载
专知会员服务
54+阅读 · 2021年1月20日
专知会员服务
61+阅读 · 2020年3月19日
100+篇《自监督学习(Self-Supervised Learning)》论文最新合集
专知会员服务
167+阅读 · 2020年3月18日
相关资讯
GNN 新基准!Long Range Graph Benchmark
图与推荐
0+阅读 · 2022年10月18日
VCIP 2022 Call for Demos
CCF多媒体专委会
1+阅读 · 2022年6月6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
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
【论文】变分推断(Variational inference)的总结
机器学习研究会
39+阅读 · 2017年11月16日
Capsule Networks解析
机器学习研究会
11+阅读 · 2017年11月12日
【推荐】RNN/LSTM时序预测
机器学习研究会
25+阅读 · 2017年9月8日
相关基金
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2009年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2008年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2008年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员