We present a Gaussian Process (GP) approach (Gaussian Process Hydrodynamics, GPH) for approximating the solution of the Euler and Navier-Stokes equations. As in Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), GPH is a Lagrangian particle-based approach involving the tracking of a finite number of particles transported by the flow. However, these particles do not represent mollified particles of matter but carry discrete about the continuous flow. Closure is achieved by placing a divergence-free GP prior $\xi$ on the velocity field and conditioning on vorticity at particle locations. Known physics (e.g., the Richardson cascade and velocity-increments power laws) is incorporated into the GP prior through physics-informed additive kernels. This is equivalent to expressing $\xi$ as a sum of independent GPs $\xi^l$, which we call modes, acting at different scales. This approach leads to a quantitative analysis of the Richardson cascade through the analysis of the activation of these modes and allows us to coarse-grain turbulence in a statistical manner rather than a deterministic one. Since GPH is formulated on the vorticity equations, it does not require solving a pressure equation. By enforcing incompressibility and fluid/structure boundary conditions through the selection of the kernel, GPH requires much fewer particles than SPH. Since GPH has a natural probabilistic interpretation, numerical results come with uncertainty estimates enabling their incorporation into a UQ pipeline and the adding/removing of particles in an adapted manner. The proposed approach is amenable to analysis, it inherits the complexity of state-of-the-art solvers for dense kernel matrices, and it leads to a natural definition of turbulence as information loss. Numerical experiments support the importance of selecting physics-informed kernels and illustrate the major impact of such kernels on accuracy and stability.


翻译:我们提出了一个高尔斯进程(GP)方法(GP),用于接近 Euler 和 Navier- Stokes 方程式的解决方案。在平滑粒子流体动力学(SPH) 中,GPP是一种拉格兰粒子法,涉及跟踪流量所传送的有限数量的粒子。然而,这些粒子并不代表混凝土物质粒子粒子,而是对连续流进行分解。通过在速度场上先用零差GPS,然后对粒子地点的园艺估算进行调节,从而实现封闭。已知的中位粒子粒子粒子和Navier-Stokes等方等方程式的解决方案。 已知的中位数据(例如,Richard的级和高速流体动力法)将结果(例如,Richardson 级和高速流体动力法)纳入GPHI-ral流体动力法, 要求通过G-cal-lical-deal 的流程化法则进行大幅的变换。

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