Machine learning has long been considered as a black box for predicting combustion chemical kinetics due to the extremely large number of parameters and the lack of evaluation standards and reproducibility. The current work aims to understand two basic questions regarding the deep neural network (DNN) method: what data the DNN needs and how general the DNN method can be. Sampling and preprocessing determine the DNN training dataset, further affect DNN prediction ability. The current work proposes using Box-Cox transformation (BCT) to preprocess the combustion data. In addition, this work compares different sampling methods with or without preprocessing, including the Monte Carlo method, manifold sampling, generative neural network method (cycle-GAN), and newly-proposed multi-scale sampling. Our results reveal that the DNN trained by the manifold data can capture the chemical kinetics in limited configurations but cannot remain robust toward perturbation, which is inevitable for the DNN coupled with the flow field. The Monte Carlo and cycle-GAN samplings can cover a wider phase space but fail to capture small-scale intermediate species, producing poor prediction results. A three-hidden-layer DNN, based on the multi-scale method without specific flame simulation data, allows predicting chemical kinetics in various scenarios and being stable during the temporal evolutions. This single DNN is readily implemented with several CFD codes and validated in various combustors, including (1). zero-dimensional autoignition, (2). one-dimensional freely propagating flame, (3). two-dimensional jet flame with triple-flame structure, and (4). three-dimensional turbulent lifted flames. The results demonstrate the satisfying accuracy and generalization ability of the pre-trained DNN. The Fortran and Python versions of DNN and example code are attached in the supplementary for reproducibility.


翻译:长期以来,人们一直认为机器学习是预测燃烧化学动力学的黑盒子,原因是参数数量巨大,缺乏评价标准和再生性。目前的工作旨在了解关于深神经网络方法的两个基本问题:DNN需要的数据是什么,DNN方法可能有多一般。取样和预处理决定DNN培训数据集,进一步影响到DNN的预测能力。目前的工作提议使用Box-Cox变换(BCT)来预处理燃烧数据。此外,这项工作比较了不同取样方法,无论是否进行预处理,包括MonteCar方法、多采样抽样、离子式冷却神经网络方法(cyl-GAN)和新推出的多级取样方法。我们的结果显示,由多级数据训练的DNNNNNN可以捕捉到有限的化学动力,但无法保持坚固地进行渗透,而DNNNN和流动场是不可避免的。 Monte Carlo和周期GAN的抽样取样可以覆盖更广泛的空间,但无法捕捉到小规模的中间物种,产生一种低级的预测结果。C-rental-ral-deal-deal-deal-deal-deal-deal-d-d-d-d-d-deal-d-dal-d-d-dal-dal-dal-dal-d-dal-dal-dal-d-d-d-d-dal-dal-d-d-dal-d-dal-d-d-d-d-d-d-dal-d-d-d-dal-dal-d-d-d-d-dal-dal-d-d-d-d-d-d-dal-dal-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-dal-d-d-d-d-d-l-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-d-dal-dal-dal-l-l-l-l-d-l-

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