The present study develops a physics-constrained neural network (PCNN) to predict sequential patterns and motions of multiphase flows (MPFs), which includes strong interactions among various fluid phases. To predict the order parameters, which locate individual phases, in the future time, the conditional neural processes and long short-term memory (CNP-LSTM) are applied to quickly infer the dynamics of the phases after encoding only a few observations. After that, the multiphase consistent and conservative boundedness mapping algorithm (MCBOM) is implemented to correct the order parameters predicted from CNP-LSTM in order to strictly satisfy the mass conservation, the summation of the volume fractions of the phases to be unity, the consistency of reduction, and the boundedness of the order parameters. Then, the density of the fluid mixture is updated from the corrected order parameters. Finally, the velocity in the future time is predicted by a physics-informed CNP-LSTM (PICNP-LSTM) where conservation of momentum is included in the loss function with the observed density and velocity as the inputs. The proposed PCNN for MPFs sequentially performs (CNP-LSTM)-(MCBOM)-(PICNP-LSTM), which avoids unphysical behaviors of the order parameters, accelerates the convergence, and requires fewer data to make predictions. Numerical experiments demonstrate that the proposed PCNN is capable of predicting MPFs effectively.


翻译:本研究发展了一个物理学限制的神经网络(PCNN),以预测多阶段流动(MPFs)的顺序模式和运动,其中包括各流流阶段之间的密切互动;预测顺序参数,这些参数将在未来时间确定各个阶段的定点、有条件的神经过程和长短期内存(CNP-LSTM),用于在仅对几处观测进行编码之后迅速推断各阶段的动态;随后,采用多阶段一致和保守的多阶段封闭性测绘算法(MCBOM),以纠正多阶段流动(CPP-LSTM)预测的顺序参数,以严格满足大规模保护、各阶段数量部分的相加、减少的一致性和定序参数的界限;然后,根据修正的定序参数更新流动混合物的密度;最后,一个以物理学为根据的CPN-LTM(PNP-LSTM) (PNF-LS-LS) (PNSP-MNS) 的拟议速度将保持势头和观察到的密度和速度作为投入的流失功能;拟议的PCNNPFS-M(CPM-M-M-M) 快速的周期预测要求逐步地进行更快的预测。

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