We propose a deep probabilistic-neural-network architecture for learning a minimal and near-orthogonal set of non-linear modes from high-fidelity turbulent-flow-field data useful for flow analysis, reduced-order modeling, and flow control. Our approach is based on $\beta$-variational autoencoders ($\beta$-VAEs) and convolutional neural networks (CNNs), which allow us to extract non-linear modes from multi-scale turbulent flows while encouraging the learning of independent latent variables and penalizing the size of the latent vector. Moreover, we introduce an algorithm for ordering VAE-based modes with respect to their contribution to the reconstruction. We apply this method for non-linear mode decomposition of the turbulent flow through a simplified urban environment, where the flow-field data is obtained based on well-resolved large-eddy simulations (LESs). We demonstrate that by constraining the shape of the latent space, it is possible to motivate the orthogonality and extract a set of parsimonious modes sufficient for high-quality reconstruction. Our results show the excellent performance of the method in the reconstruction against linear-theory-based decompositions. Moreover, we compare our method with available AE-based models. We show the ability of our approach in the extraction of near-orthogonal modes that may lead to interpretability.


翻译:我们提出一个深度的概率-神经网络架构,用于从高纤维性动荡、降序建模和流量控制中学习一套最起码的、近乎直线的非线性模式,用于从高纤维性动荡流流中学习有助于流动分析、降序建模和流量控制的数据。我们采用这种方法,通过一个简化的城市环境,在以清晰的大型模拟(LES)为基础获得流地数据的情况下,以非线性自动电解器为基础,从多规模动荡流中提取非线性模式,同时鼓励学习独立的潜伏变量,惩罚潜伏矢量的大小。此外,我们采用一种算法,用于订购基于VAE的模型,以它们为重建做出贡献。我们采用这种方法,非线性模式分解了动荡流性流动性自动电解码($beta$-VaEs)和动态神经网络(CNNs),这使我们得以从多规模的动荡流流中提取出非线性模式,同时鼓励学习独立的潜在潜在变量,并提取潜在矢量矢量体的大小。此外,我们采用一种基于VAE值型模式的计算方法,以其对于重建的贡献性模型的贡献。我们采用了非线性模式,我们用这个方法可以用来进行高质量性模拟的模拟的模型,从而显示我们现有的精确性重建。

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