Constitutive models are widely used for modelling complex systems in science and engineering, where first-principle-based, well-resolved simulations are often prohibitively expensive. For example, in fluid dynamics, constitutive models are required to describe nonlocal, unresolved physics such as turbulence and laminar-turbulent transition. In particular, Reynolds stress models for turbulence and intermittency transport equations for laminar-turbulent transition both utilize convection--diffusion partial differential equations (PDEs). However, traditional PDE-based constitutive models can lack robustness and are often too rigid to accommodate diverse calibration data. We propose a frame-independent, nonlocal constitutive model based on a vector-cloud neural network that can be trained with data. The learned constitutive model can predict the closure variable at a point based on the flow information in its neighborhood. Such nonlocal information is represented by a group of points, each having a feature vector attached to it, and thus the input is referred to as vector cloud. The cloud is mapped to the closure variable through a frame-independent neural network, which is invariant both to coordinate translation and rotation and to the ordering of points in the cloud. As such, the network takes any number of arbitrarily arranged grid points as input and thus is suitable for unstructured meshes commonly used in fluid flow simulations. The merits of the proposed network are demonstrated on scalar transport PDEs on a family of parameterized periodic hill geometries. Numerical results show that the vector-cloud neural network is a promising tool not only as nonlocal constitutive models and but also as general surrogate models for PDEs on irregular domains.


翻译:构造模型被广泛用于模拟科学和工程的复杂系统,其中基于原则的、妥善解析的模拟模型往往过于昂贵,成本高得令人望而却步。例如,在流体动态中,需要组织模型来描述非局部、未解决的物理学,如动荡和云量突变等。特别是,雷诺兹的波动和气流过渡的气流和间流传输方程式压力模型,这两种模型都使用对流-气流部分差异方程式(PDEs),然而,传统的基于PDE的非正规矢量模型可能缺乏稳健性,而且往往过于僵硬,无法容纳多种校准数据。我们建议基于可进行数据培训的矢量-球神经网络的基于框架的、未解决的物理模型。学习的构造模型可以预测基于附近流动信息点的关闭变量。这种非本地信息由一组点代表,每个点都带有特性矢量,因此输入被称为矢量云流云。云不是通过离心的内脏的内脏内脏模型来绘制关闭变量。因此,在内部的网络中,可调调调调调调,作为正常的内置的网络。

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ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
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