物理学 > 计算物理
[提交于 2025年6月14日
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标题: 基于深度神经网络的数据驱动代理建模方法对DSMC解的模拟
标题: Data-Driven Surrogate Modeling of DSMC Solutions Using Deep Neural Networks
摘要: 本研究提出了一种深度神经网络(DNN)框架,该框架加速了稀薄气体流动的直接模拟蒙特卡洛(DSMC)计算,同时保持了高物理保真度。首先,一个全连接的深度神经网络在七种温度(200-650 K)的高质量DSMC数据上进行训练,以再现氩气的麦克斯韦-玻尔兹曼速度分布。将物理边界点注入训练集,可以确保正确的低速极限。它将均方误差降低到10^-5以下,从而将每次DSMC运行的推理时间从几十分钟减少到毫秒级。对于一维激波,配备可学习傅里叶特征的多输出网络学习密度、速度和温度的完整剖面。仅在马赫数1.4-1.9范围内进行训练,它对马赫数2和2.5的情况预测与DSMC有近乎完美的吻合,展示了强大的训练外泛化能力。在驱动腔中,通过“专家族”策略处理克努森数的广泛参数范围:在离散的克努森(Kn)值上分别训练专业模型,并通过对数空间插值融合它们的输出。这种混合代理模型在未见过的Kn下以小于2%的空间误差恢复完整的二维速度和温度场。关键创新包括(i)在数据预处理过程中显式注入物理约束,(ii)可学习的傅里叶特征映射以捕捉陡峭的激波梯度,以及(iii)模块化的专家-插值方案以覆盖广泛的克努森范围。它们共同建立了一个通用的可靠、快速代理模型方法,可以扩展到非平衡现象、气体混合物和设计优化流程。
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