Solving for detailed chemical kinetics remains one of the major bottlenecks for computational fluid dynamics simulations of reacting flows using a finite-rate-chemistry approach. This has motivated the use of fully connected artificial neural networks to predict stiff chemical source terms as functions of the thermochemical state of the combustion system. However, due to the nonlinearities and multi-scale nature of combustion, the predicted solution often diverges from the true solution when these deep learning models are coupled with a computational fluid dynamics solver. This is because these approaches minimize the error during training without guaranteeing successful integration with ordinary differential equation solvers. In the present work, a novel neural ordinary differential equations approach to modeling chemical kinetics, termed as ChemNODE, is developed. In this deep learning framework, the chemical source terms predicted by the neural networks are integrated during training, and by computing the required derivatives, the neural network weights are adjusted accordingly to minimize the difference between the predicted and ground-truth solution. A proof-of-concept study is performed with ChemNODE for homogeneous autoignition of hydrogen-air mixture over a range of composition and thermodynamic conditions. It is shown that ChemNODE accurately captures the correct physical behavior and reproduces the results obtained using the full chemical kinetic mechanism at a fraction of the computational cost.


翻译:解决详细的化学动能学问题仍然是利用有限速度化学方法计算流体动态模拟反应流的主要瓶颈之一。这促使使用完全连接的人工神经神经网络,预测燃烧系统热化学状态的功能是硬化学源;然而,由于燃烧系统的不线性和多尺度性质,这些深度学习模型与计算流体动态解析器相结合时,预测的解决方案往往与真正的解决方案不同。这是因为这些方法在培训过程中尽可能减少错误,而不保证与普通差异方程解析器成功融合。在目前的工作中,正在开发一种新型的神经普通差异方程式,以模拟化学动力学,称为ChemNODE。在这一深层次学习框架中,神经网络预测的化学源术语在培训期间被整合,并通过计算所需的衍生物,对神经网络加权进行了相应的调整,以尽量减少预测流体动态和地面-真相解解解解解的解决方案之间的差别。与ChemNODE进行了概念验证研究,目的是对氢-空气混合物的同质自动化自动化自动分解分异方方方程方程式进行新的神经异方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方方

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