计算机科学 > 计算工程、金融与科学
[提交于 2025年7月15日
(v1)
,最后修订 2025年7月18日 (此版本, v2)]
标题: 利用物理信息神经网络在二维搅拌槽流场代理建模中量化数据需求
标题: Quantifying data needs in surrogate modeling for flow fields in two-dimensional stirred tanks with physics-informed neural networks
摘要: 搅拌槽在化学和生物技术过程中至关重要,尤其是在作为生物反应器时。 尽管计算流体动力学(CFD)被广泛用于模拟搅拌槽中的流动,但其高计算成本$-$,特别是在过程设计和优化的多查询场景中$-$,推动了对高效数据驱动代理模型的需求。 然而,获取足够大的数据集可能成本很高。 物理信息神经网络(PINNs)通过将基本物理嵌入神经网络(NN)训练中,提供了一种减少数据需求同时保持精度的有前景的解决方案。 本研究量化了普通PINNs在开发二维搅拌槽流场代理模型中的数据需求。 我们将这些需求与传统的监督神经网络和边界信息神经网络(BINNs)进行了比较。 我们的研究结果表明,使用最少六个数据点,代理模型可以在雷诺数从50到5000的范围内实现大约3%的预测误差。 此外,使用速度剖面的近似代替真实数据标签,可以实现大约2.5%的预测误差。 这些结果表明,即使在有限或近似数据集的情况下,PINNs也可以有效地训练以提供与高保真数据相当的高精度。
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