Inverse problems in fluid dynamics are ubiquitous in science and engineering, with applications ranging from electronic cooling system design to ocean modeling. We propose a general and robust approach for solving inverse problems in the steady-state Navier-Stokes equations by combining deep neural networks and numerical partial differential equation (PDE) schemes. Our approach expresses numerical simulation as a computational graph with differentiable operators. We then solve inverse problems by constrained optimization, using gradients calculated from the computational graph with reverse-mode automatic differentiation. This technique enables us to model unknown physical properties using deep neural networks and embed them into the PDE model. We demonstrate the effectiveness of our method by computing spatially-varying viscosity and conductivity fields with deep neural networks (DNNs) and training the DNNs using partial observations of velocity fields. We show that the DNNs are capable of modeling complex spatially-varying physical fields with sparse and noisy data. Our implementation leverages the open access ADCME, a library for solving inverse modeling problems in scientific computing using automatic differentiation.


翻译:流体动态的反面问题是科学和工程中普遍存在的,其应用范围从电子冷却系统设计到海洋建模等,我们建议一种一般和稳健的方法,通过将深神经网络和数字部分方程(PDE)组合起来,解决稳定状态纳维-斯托克斯方程式中的反面问题。我们的方法表示数字模拟是同不同操作员的计算图。然后我们通过限制优化,利用计算图中计算出的梯度,以反向模式自动区分,来解决反向问题。这种技术使我们能够利用深神经网络和海洋模型来模拟未知的物理特性。我们通过利用深神经网络和PDE模型来计算空间变化的透镜和导电场,以及利用对速度场的部分观测来培训DNNS,来展示我们的方法的有效性。我们显示DNN能够用稀有和噪音的数据模拟复杂的空间变化物理场。我们的实施利用开放访问ADCME,这是一个用自动差异来解决科学计算反向模型问题的图书馆。

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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