Accurate prediction of wall-bounded flows remains central to advancing both theoretical understanding and computational methods in fluid mechanics. In this study, we perform a numerical simulation of channel flow using a complementary approach: a high-performance, differentiable finite-difference solver developed in JAX (Finite-JAX) and an analytical solution derived from the Navier-Stokes Equations, also referred to as the Hagen-Poiseuille equation. The solver is applied to the incompressible Navier-Stokes equations, along with appropriate boundary conditions, to capture canonical flow features such as velocity profiles and pressure gradients. Cross-model verification is conducted by systematically comparing numerical results between Finite-JAX and the analytical solution, with a focus on velocity distributions. In addition, numerical results are benchmarked against analytical solutions for laminar regimes, allowing for the direct quantification of verification accuracy errors. Our findings demonstrate that cross-model verification not only strengthens confidence in simulation fidelity but also provides a pathway for integrating differentiable solvers with established computational fluid dynamics platforms, paving the way for future fluid flow research.


翻译:壁面约束流的精确预测对于推进流体力学理论理解和计算方法的发展至关重要。本研究采用一种互补方法对渠道流进行数值模拟:一种在JAX中开发的高性能、可微分有限差分求解器(Finite-JAX),以及从纳维-斯托克斯方程(亦称为哈根-泊肃叶方程)推导出的解析解。该求解器应用于不可压缩纳维-斯托克斯方程,并配合适当的边界条件,以捕捉速度剖面和压力梯度等典型流动特征。通过系统比较Finite-JAX数值结果与解析解(重点关注速度分布)进行跨模型验证。此外,数值结果以层流状态的解析解为基准进行对比,从而直接量化验证精度误差。我们的研究结果表明,跨模型验证不仅增强了模拟保真度的可信度,还为可微分求解器与现有计算流体动力学平台的集成提供了途径,为未来流体流动研究铺平了道路。

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