Reduced order models (ROMs) that capture flow dynamics are of interest for decreasing computational costs for simulation as well as for model-based control approaches. This work presents a data-driven framework for minimal-dimensional models that effectively capture the dynamics and properties of the flow. We apply this to Kolmogorov flow in a regime consisting of chaotic and intermittent behavior, which is common in many flows processes and is challenging to model. The trajectory of the flow travels near relative periodic orbits (RPOs), interspersed with sporadic bursting events corresponding to excursions between the regions containing the RPOs. The first step in development of the models is use of an undercomplete autoencoder to map from the full state data down to a latent space of dramatically lower dimension. Then models of the discrete-time evolution of the dynamics in the latent space are developed. By analyzing the model performance as a function of latent space dimension we can estimate the minimum number of dimensions required to capture the system dynamics. To further reduce the dimension of the dynamical model, we factor out a phase variable in the direction of translational invariance for the flow, leading to separate evolution equations for the pattern and phase. At a model dimension of five for the pattern dynamics, as opposed to the full state dimension of 1024 (i.e. a 32x32 grid), accurate predictions are found for individual trajectories out to about two Lyapunov times, as well as for long-time statistics. Further small improvements in the results occur at a dimension of nine. The nearly heteroclinic connections between the different RPOs, including the quiescent and bursting time scales, are well captured. We also capture key features of the phase dynamics. Finally, we use the low-dimensional representation to predict future bursting events, finding good success.


翻译:降階模型(ROMs)能夠捕捉流體動力學特性,對於降低模擬計算成本及實現基於模型的控制方法具有重要意義。本研究提出一個數據驅動框架,用以構建有效捕捉流體動力學特性與性質的最小維度模型。我們將其應用於科爾莫戈羅夫流中一個包含混沌與間歇行為的流態——此類行為常見於多種流體過程且難以建模。流體的運動軌跡接近相對週期軌道(RPOs),並夾雜著對應於不同RPO區域間遊走所導致的零星爆發事件。模型構建的第一步是利用欠完備自編碼器將全狀態數據映射至維度顯著降低的潛在空間;隨後建立潛在空間中離散時間動力學的演化模型。通過分析模型性能隨潛在空間維度的變化,可估算捕捉系統動力學所需的最小維度。為進一步降低動力學模型維度,我們分離出流體平移不變方向上的相位變量,導出模式與相位的獨立演化方程。當模式動力學維度降至五維(而全狀態維度為1024,即32×32網格)時,單個軌跡在約兩個Lyapunov時間內的預測以及長時間統計特性均能準確呈現;當維度增至九維時結果僅有微小改善。模型成功捕捉了不同RPO間近異宿連接(包括靜默期與爆發期的時間尺度),亦保留相動力學的關鍵特徵。最終,我們利用低維表徵預測未來爆發事件,取得了良好成效。

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18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
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
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
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
国家自然科学基金
1+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
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
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+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
6+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
马赛克战:俄乌战场透析
专知会员服务
1+阅读 · 今天4:12
《利用人工智能增强军事决策》
专知会员服务
0+阅读 · 今天4:09
《自动机器学习在军事数据耕耘法中的应用》
专知会员服务
1+阅读 · 今天4:02
为何指挥所生存能力要求范式转变
专知会员服务
0+阅读 · 今天3:54
打造“新蛛网”模式与高科技动员
专知会员服务
0+阅读 · 今天3:33
“蛛网”行动一周年:远程无人机战争
专知会员服务
0+阅读 · 今天3:23
【剑桥博士论文】智能体-环境协同优化
专知会员服务
5+阅读 · 6月9日
为初级军官战术训练设计生成式人工智能平台
专知会员服务
8+阅读 · 6月9日
《美军条令:作战伤员后送保障》
专知会员服务
6+阅读 · 6月9日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
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
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
相关基金
国家自然科学基金
1+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
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
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+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
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员