In turbulence modeling, and more particularly in the Large-Eddy Simulation (LES) framework, we are concerned with finding closure models that represent the effect of the unresolved subgrid-scales on the resolved scales. Recent approaches gravitate towards machine learning techniques to construct such models. However, the stability of machine-learned closure models and their abidance by physical structure (e.g. symmetries, conservation laws) are still open problems. To tackle both issues, we take the `discretize first, filter next' approach, in which we apply a spatial averaging filter to existing energy-conserving (fine-grid) discretizations. The main novelty is that we extend the system of equations describing the filtered solution with a set of equations that describe the evolution of (a compressed version of) the energy of the subgrid-scales. Having an estimate of this energy, we can use the concept of energy conservation and derive stability. The compressed variables are determined via a data-driven technique in such a way that the energy of the subgrid-scales is matched. For the extended system, the closure model should be energy-conserving, and a new skew-symmetric convolutional neural network architecture is proposed that has this property. Stability is thus guaranteed, independent of the actual weights and biases of the network. Importantly, our framework allows energy exchange between resolved scales and compressed subgrid scales and thus enables backscatter. To model dissipative systems (e.g. viscous flows), the framework is extended with a diffusive component. The introduced neural network architecture is constructed such that it also satisfies momentum conservation. We apply the new methodology to both the viscous Burgers' equation and the Korteweg-De Vries equation in 1D and show superior stability properties when compared to a vanilla convolutional neural network.


翻译:在湍流建模领域,特别是在大涡模拟(LES)框架中,我们关注于建立能够表征未解析亚格子尺度对解析尺度影响的闭合模型。近期研究倾向于采用机器学习技术构建此类模型,但机器学习闭合模型的稳定性及其对物理结构(如对称性、守恒律)的遵循仍属未解难题。为解决这两个问题,我们采用"先离散后滤波"策略,对现有能量守恒(细网格)离散格式施加空间平均滤波器。主要创新在于:我们通过一组描述亚格子尺度能量(压缩版本)演化的方程,扩展了描述滤波解的系统方程组。基于该能量的估算值,我们利用能量守恒概念推导稳定性。采用数据驱动技术确定压缩变量,使亚格子尺度能量得以匹配。对于扩展系统,闭合模型须满足能量守恒,为此我们提出具有该属性的新型斜对称卷积神经网络架构,从而确保稳定性与网络实际权重和偏置无关。重要的是,该框架允许解析尺度与压缩亚格子尺度间的能量交换,实现反向散射。为模拟耗散系统(如粘性流动),通过引入扩散分量扩展框架。所提出的神经网络架构还满足动量守恒。我们将新方法分别应用于一维粘性Burgers方程和Korteweg-De Vries方程,相较于普通卷积神经网络展现出更优的稳定性特征。

0
下载
关闭预览

相关内容

Networking:IFIP International Conferences on Networking。 Explanation:国际网络会议。 Publisher:IFIP。 SIT: http://dblp.uni-trier.de/db/conf/networking/index.html
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11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
GNN 新基准!Long Range Graph Benchmark
图与推荐
0+阅读 · 2022年10月18日
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20日
全球首个GNN为主的AI创业公司,募资$18.5 million!
图与推荐
1+阅读 · 2022年4月16日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7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
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
20+阅读 · 2017年12月17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
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 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+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 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2023年3月28日
Arxiv
23+阅读 · 2018年10月1日
VIP会员
最新内容
重新思考无人机时代的生存能力
专知会员服务
5+阅读 · 今天7:44
装甲突击旅:现代战争思考、战斗与组织
专知会员服务
4+阅读 · 今天7:28
在人工智能加速决策环境中拓展OODA循环
专知会员服务
4+阅读 · 今天7:18
军事欺骗:供作战战术指挥官使用的工具
专知会员服务
4+阅读 · 今天7:03
综述 | 世界动作模型:少做梦,多行动
专知会员服务
6+阅读 · 6月23日
美以伊冲突:无人机与人工智能的运用
专知会员服务
10+阅读 · 6月23日
《特种部队在透明战场中的生存力》最新报告
专知会员服务
5+阅读 · 6月23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
征稿 | International Joint Conference on Knowledge Graphs (IJCKG)
开放知识图谱
2+阅读 · 2022年5月20日
全球首个GNN为主的AI创业公司,募资$18.5 million!
图与推荐
1+阅读 · 2022年4月16日
灾难性遗忘问题新视角:迁移-干扰平衡
CreateAMind
17+阅读 · 2019年7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
ResNet, AlexNet, VGG, Inception:各种卷积网络架构的理解
全球人工智能
20+阅读 · 2017年12月17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
相关基金
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 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2013年12月31日
国家自然科学基金
1+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 · 2012年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2012年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员