《PNAS:基于物理知识机器学习的拉格朗日大涡模拟》

  • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
  • 编译者: liguiju
  • 发布时间:2023-09-28
  • 精确模拟高雷诺数湍流在计算上具有挑战性。传统的湍流建模方法,如大涡模拟(LES),旨在解决欧拉环境下的大尺度湍流,而利用已分解尺度的流动来模拟子网格的贡献,该方法通常涉及各种物理假设和参数调整。经典的欧拉LES依赖于子网格尺度对分解尺度的影响的假设。洛斯阿拉莫斯国家实验室采用另一种方法,设计依据拉格朗日粒子随流运动的LES启发式,即L-LES。L-LES是通过推广具有扩展参数和功能自由的弱可压缩光滑粒子流体力学公式的方程来描述,然后通过直接数值模拟的拉格朗日数据的机器学习训练来解决。L-LES模型包括物理参数化和功能形式,通过结合基于物理参数和物理启发的神经网络来描述分辨率范围内的湍流演变。子网格尺度的贡献是单独建模的,带有物理约束,以解释未解决尺度的影响。模型建立于可微规划框架之下,可有效训练。研究表明,L-LES模型能够在一定的湍流马赫数范围内再现欧拉和唯一拉格朗日湍流结构和统计。(熊萍 编译)

  • 原文来源:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2213638120
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    • 采用混合方法对生物质在鼓泡流化床中的气化过程进行了数值模拟,其中过滤后的气相控制方程在欧拉框架中求解,固体颗粒模型采用了基于拉格朗日随机包裹法的池内多相颗粒模型。在结合均相和非均相气化反应后,在OpenFOAM中开发了一种求解器。在LES框架内求解过滤后的气相变量控制方程,其中未解决的亚网格应力和通量通过亚网格动能方程闭包模型得到。该解算器可以显示流化床内气固流动的瞬态流动特性,包括床面气泡的形成、聚结和爆发。在不同的操作条件下,如蒸汽/生物质比、当量比和气化炉温度,预测的气化炉出口产品气体浓度与实验结果一致。
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    • 近日,自然资源部第二海洋研究所刘统亚副研究员在地学领域顶级期刊Earth System Science Data(IF:11.815)发表题为“A global Lagrangian eddy dataset based on satellite altimetry”的研究论文,并发布了一套基于卫星观测的拉格朗日涡旋数据产品。刘统亚副研究员是论文第一作者和通讯作者,与美国哥伦比亚大学Ryan Abernathey教授合作完成了该研究。 中尺度涡旋在海洋中随处可见,它们携带了约90%的海洋动能,在全球海洋的物质和能量输运中起着至关重要的作用。目前,几乎所有的公开数据集都采用欧拉方法进行涡旋探测,但已有研究指出,基于欧拉方法识别的涡旋并不是真正的连贯结构(coherent structure),这些涡旋在生命周期内通常会与周围水体发生强烈的水交换,基于此估算涡致输运可能会极大地高估涡旋携带物质的能力。与欧拉方法相比,利用拉格朗日方法探测涡旋的步骤相对复杂,但欧拉方法的缺陷有望在拉格朗日框架下得以克服。 该研究利用1993-2019年卫星资料提供的全球海表地转流场驱动高分辨率(1/32度)的拉格朗日粒子,计算粒子在180天内的移动轨迹,并基于Lagrangian-averaged vorticity deviation (LAVD)方法探测三种生命周期(30天、90天和180天)的拉格朗日涡旋,建立了一套全球拉格朗日涡旋数据集(GLED v1.0);数据集提供了涡旋中心位置、涡旋半径、旋转性质等特征信息,以及涡旋生命周期内携带粒子的移动轨迹;并对拉格朗日涡旋和SSH涡旋的统计特征进行了比较,发现两类涡旋的移动速度接近,但拉格朗日涡旋的半径仅为SSH涡旋的一半;还利用Argo浮标资料对数据集的可靠性进行了验证。该数据集对于更准确诊断涡旋携带输运的贡献有重要意义,并将有助于我们理解中尺度涡旋在物理、生物和化学过程中的作用。 目前,该涡旋数据集已在Zenodo数据平台公开发布,供科研工作者免费使用,下载地址为(https://zenodo.org/record/7349753#.ZD-LHexBxz8),并在GitHub提供了数据处理和可视化算法(https://github.com/liutongya/GLED)。 《Earth System Science Data》是地球系统科学领域的顶级期刊,旨在发布地球系统科学领域最新及原创的高质量数据集,最新影响因子为11.815,其CiteScore在地球科学类期刊中排名前列。 该研究得到了国家自然科学青年基金和国家自然科学基金重大仪器专项的共同支持。