物理学 > 流体动力学
[提交于 2025年7月7日
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标题: OGF:一种用于优化非定常湍流统计稳态时间平均值的在线梯度流方法
标题: OGF: An Online Gradient Flow Method for Optimizing the Statistical Steady-State Time Averages of Unsteady Turbulent Flows
摘要: 湍流是混沌且非定常的,但其统计分布会收敛到统计稳态。 感兴趣的工程量通常以时间平均统计量的形式出现,如$ \frac{1}{t} \int_0^t f ( u(x,\tau; \theta) ) d\tau \overset{t \rightarrow \infty}{\rightarrow} F(x; \theta)$,其中$u(x,t; \theta)$是参数为$\theta$的 Navier--Stokes 方程的解。 对$F(x; \theta)$进行优化在许多工程应用中都有涉及,包括几何优化、流动控制和闭合建模。 然而,这仍然是一个开放性挑战,因为现有的计算方法无法扩展到物理上有代表性的网格点数量。 根本障碍是湍流的混沌性:使用伴随法计算的梯度会随着$t \rightarrow \infty$指数级发散。 我们开发了一种新的在线梯度流(OGF)方法,该方法可以扩展到高自由度系统,并能够对混沌、非定常、解析湍流的稳态统计量进行优化。 该方法在同时执行参数$\theta$的在线更新的同时,向前传播对$F(x; \theta)$梯度的在线估计。 一个关键特性是算法的完全在线性质,以促进更快的优化进展,并将其与有限差分估计器结合,以避免由于混沌性导致的梯度发散。 所提出的 OGF 方法已在三个混沌常微分和偏微分方程的优化中进行了演示:Lorenz-63 方程、Kuramoto--Sivashinsky 方程以及可压缩、强迫、均匀各向同性湍流的 Navier--Stokes 解。 在每种情况下,OGF方法根据$F(x; \theta)$成功将损失减少了几个数量级,并准确恢复了最优参数。
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