We introduce a Lattice-Boltzmann-driven kinetic physics-informed neural network (K-PINN) for predictive modeling of droplet dynamics on structured surfaces, in which the discrete Boltzmann-BGK equation is incorporated into the learning framework. Different from traditional PINNs that are restricted by macroscopic continuum equations, the K-PINN framework is built on the mesoscopic kinetic level, in which the essential Lattice-Boltzmann physics is preserved in the data-efficient neural network. The K-PINN has been successfully employed for modeling non-trivial droplet phenomena such as contact pinning, anisotropic spreading, and capillary hysteresis on substrates of different morphologies, ranging from random roughness to periodic pillar structures. Moreover, strict physical consistency, such as mass conservation within 1.5%, is ensured in the K-PINN framework. Furthermore, the U-Net-based encoder-decoder structure of the K-PINN results in a 50-75% reduction in error compared to traditional neural networks, achieving almost perfect agreement with high-resolution Lattice-Boltzmann simulations $L_2$ ~ 0.021-0.026, $R^2$ ~ 0.999. Robust convergence of the K-PINN to diverse surface morphologies is ensured through curriculum learning and adaptive two-phase optimization. Upon convergence, the K-PINN can perform real-time prediction with over 104 evaluations per second. Through the combination of kinetic theory and physics-informed learning, this work establishes a new paradigm for fast, physically consistent modeling of multiphase flows on complex surfaces.


翻译:我们提出了一种基于格子玻尔兹曼驱动的动理学物理信息神经网络(K-PINN),用于结构化表面上液滴动力学的预测性建模,其中离散的Boltzmann-BGK方程被纳入学习框架。与受限于宏观连续方程的传统PINN不同,K-PINN框架建立在介观动理学层次上,在数据高效的神经网络中保留了基本的格子玻尔兹曼物理机理。该K-PINN已成功应用于模拟各种非平凡液滴现象,包括接触钉扎、各向异性铺展以及在不同形态基底(从随机粗糙度到周期性柱状结构)上的毛细滞后。此外,K-PINN框架确保了严格的物理一致性,例如质量守恒误差在1.5%以内。进一步地,K-PINN中基于U-Net的编码器-解码器结构相比传统神经网络实现了50-75%的误差降低,与高分辨率格子玻尔兹曼模拟几乎完美吻合($L_2$ ~ 0.021-0.026,$R^2$ ~ 0.999)。通过课程学习与自适应两阶段优化,K-PINN对不同表面形态具有稳健的收敛性。收敛后,K-PINN可实现每秒超过10^4次评估的实时预测。通过动理学理论与物理信息学习的结合,本研究为复杂表面上多相流的快速、物理一致性建模建立了新范式。

0
下载
关闭预览

相关内容

从PINNs到PIKANs:物理信息机器学习的最新进展
专知会员服务
43+阅读 · 2024年10月27日
【ETHZ博士论文】深度学习在科学计算中的应用,181页pdf
专知会员服务
57+阅读 · 2023年12月15日
【Google AI】鲁棒图神经网络,Robust Graph Neural Networks
专知会员服务
38+阅读 · 2022年3月9日
神经网络常微分方程 (Neural ODEs) 解析
AI科技评论
42+阅读 · 2019年8月9日
PyTorch & PyTorch Geometric图神经网络(GNN)实战
专知
81+阅读 · 2019年6月1日
国家自然科学基金
10+阅读 · 2015年12月31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 · 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 · 2014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
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关主题
最新内容
ICML 2026 | 自回归Boltzmann生成器重塑分子采样
专知会员服务
0+阅读 · 今天15:55
GNN跨域综述:从消息传递到图基础模型
专知会员服务
0+阅读 · 今天15:53
无人机自主控制与人工智能:系统性综述
专知会员服务
11+阅读 · 今天7:25
巡飞弹与反无人机系统——现代战场的两大支柱
专知会员服务
3+阅读 · 今天6:54
《打造“黄金舰队”》57页报告
专知会员服务
3+阅读 · 今天6:52
《北约数字教官网络发展路径》128页报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:33
ECCV 2026 | MIMFlow:MIM与归一化流统一图像生成
专知会员服务
7+阅读 · 6月25日
网状网络及其在军事领域的运用
专知会员服务
8+阅读 · 6月25日
无美国参与的欧洲战争方式(万字长文)
专知会员服务
8+阅读 · 6月25日
《国防领域敏感性分析白皮书》
专知会员服务
9+阅读 · 6月25日
相关基金
国家自然科学基金
10+阅读 · 2015年12月31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 · 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 · 2014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
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