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基于物理融合神经网络的广义对流扩散方程格子Boltzmann求解研究

王亚辉 肖豪 马宇 谢宇辰 池泓航

王亚辉, 肖豪, 马宇, 谢宇辰, 池泓航. 基于物理融合神经网络的广义对流扩散方程格子Boltzmann求解研究[J]. 核动力工程. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070062
引用本文: 王亚辉, 肖豪, 马宇, 谢宇辰, 池泓航. 基于物理融合神经网络的广义对流扩散方程格子Boltzmann求解研究[J]. 核动力工程. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070062
Wang Yahui, Xiao Hao, Ma Yu, Xie Yuchen, Chi Honghang. Research on Lattice Boltzmann Solution of Generalized Convection Diffusion Equation Based on Physical Fusion Neural Network[J]. Nuclear Power Engineering. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070062
Citation: Wang Yahui, Xiao Hao, Ma Yu, Xie Yuchen, Chi Honghang. Research on Lattice Boltzmann Solution of Generalized Convection Diffusion Equation Based on Physical Fusion Neural Network[J]. Nuclear Power Engineering. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070062

基于物理融合神经网络的广义对流扩散方程格子Boltzmann求解研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070062
基金项目: 国家自然科学基金(12205389);广东省基础与应用基础研究基金(2022A1515011735)
详细信息
    作者简介:

    王亚辉(1993—),男,助理教授,现主要从事反应堆多物理耦合数字孪生方面的研究,E-mail: wangyh296@mail.sysu.edu.cn

    通讯作者:

    马 宇,E-mail: mayu9@mail.sysu.edu.cn

  • 中图分类号: TL334

Research on Lattice Boltzmann Solution of Generalized Convection Diffusion Equation Based on Physical Fusion Neural Network

  • 摘要: 为提高深度学习方法的网络复用性,构建一种适应于不同控制方程和不同物性参数条件的深度网络模型,本研究提出了基于物理融合神经网络的格子Boltzmann方法(PFNN-LBM)。在格子Boltzmann框架下建立了不同特征控制方程的统一格式离散速度Boltzmann方程,并使用单一网络的参数化物理信息约束神经网络求解,可以在一次训练后同时求解不同形式和不同物理参数的控制方程。为测试PFNN-LBM的准确性和适应性,选取了四种类型的宏观方程开展预测分析,包括扩散方程、非线性导热方程、Sine-Gordon方程和Burgers-Fisher方程,同时测试了不同物理参数条件的预测性能并对双群中子扩散问题进行了测试。计算结果表明,所提出的PFNN-LBM可以在一次训练后高精度地求解不同形式和不同物理参数的控制方程。这项工作可以为高效灵活地求解不同类型的方程提供一个新的框架,对于工程应用,这项工作在多物理场耦合计算方面可能具有突出优势。

     

  • 图  1  PFNN-LBM神经网络示意图

    Figure  1.  Schematic of PFNN-LBM Implementation

    图  2  PFNN-LBM对于扩散问题在t=0.25、0.50 s和0.75 s的全场中子注量率分布及误差分布

    Figure  2.  Neutron Flux and Error Distributions of PFNN-LBM for Diffusion Problems at t=0.25 s, 0.50 s, and 0.75 s

    图  3  PFNN-LBM对于扩散问题在t=0.25、0.50 s和0.75 s沿对角线的中子注量率分布及误差预测结果

    Figure  3.  Neutron Flux and Error Distributions along Diagonal Lines of PFNN-LBM for Diffusion Problems at t=0.25 s, 0.50 s, and 0.75 s

    图  4  PFNN-LBM对于非线性导热问题在t=0.25、0.50 s和0.75 s的全场中子注量率分布及误差分布

    Figure  4.  Neutron Flux and Error Distributions of PFNN-LBM for Nonlinear Heat Conduction Problems at t=0.25 s, 0.50 s, and 0.75 s

    图  5  PFNN-LBM对于非线性导热问题在t=0.25、0.50 s和0.75 s沿对角线的中子注量率分布及误差预测结果

    Figure  5.  Neutron Flux and Error Distributions along Diagonal Lines of PFNN-LBM for Nonlinear Heat Conduction Problems at t=0.25 s, 0.50 s, and 0.75 s

    图  6  PFNN-LBM对于Sine-Gordon问题在t=0.25、0.50 s和0.75 s的全场中子注量率分布及误差分布预测结果

    Figure  6.  Neutron Flux and Error Distributions of PFNN-LBM for Sine-Gordon Problems at t=0.25 s, 0.50 s, and 0.75 s

    图  7  PFNN-LBM对于Sine-Gordon问题在t=0.25、0.50 s和0.75 s沿对角线的中子注量率分布及误差预测结果

    Figure  7.  Neutron Flux and Error Distributions along Diagonal Lines of PFNN-LBM for Sine-Gordon Problems at t=0.25 s, 0.50 s, and 0.75 s

    图  8  PFNN-LBM对于Burgers-Fisher问题在t = 0.25、0.50 s和0.75 s的全场中子注量率分布及误差分布预测结果

    Figure  8.  Neutron Flux and Error Distributions of PFNN-LBM for Burgers-Fisher Problems at t = 0.25 s, 0.50 s, and 0.75 s

    图  9  PFNN-LBM对于Burgers-Fisher问题在t=0.25、0.50 s和0.75 s沿对角线的中子注量率分布及误差预测结果

    Figure  9.  Neutron Flux and Error Distributions along Diagonal Lines of PFNN-LBM for Burgers-Fisher Problems at t=0.25 s, 0.50 s, and 0.75 s

    图  10  PFNN-LBM对于不同扩散系数下扩散问题沿对角线的中子注量率分布及误差预测结果

    Figure  10.  Neutron Flux and Error Distributions along Diagonal Lines of PFNN-LBM for Diffusion Problems under Different Diffusion Coefficients

    图  11  快群中子注量率全局预测结果对比

    Figure  11.  Fast Group Neutron Flux Global Prediction Results Comparison

    图  12  热群中子注量率全局预测结果对比

    Figure  12.  Thermal Group Neutron Flux Global Prediction Results Comparison

    图  13  PINN计算不同方程结果分别及对比

    Figure  13.  Different Equations' Results, Calculate using PINNs and Compare

    表  1  不同方程离散速度Boltzmann参数

    Table  1.   Discrete Velocity Boltzmann Parameters of Different Equations

    参数 扩散
    方程
    非线性
    导热方程
    Sine-Gordon
    方程
    Burgers-Fisher
    方程
    B0 0 0 0 2
    C11 0 0 0 36/5
    C0 0 0 1 0
    D11 1 0 1 1
    D0 0 1 0 0
    F0 0 0 −1 0
    F1 1 1 0 1
    F2 0 −1 0 0
    F3 0 0 0 −1
    g0 1 1 0 1
    g1 0 0 1 0
    下载: 导出CSV

    表  2  PFNN-LBM在不同问题预测中的L2误差 cm–2·s–1

    Table  2.   L2 Error of PFNN-LBM in Different Problems

    方程类型 t=0.25 s t=0.50 s t=0.75 s
    扩散方程 1.7×10−3 1.9×10−3 2.0×10−3
    非线性导热方程 1.3×10−3 1.3×10−3 1.3×10−3
    Sine-Gordon方程 3.6×10−3 7.7×10−3 1.1×10−3
    Burgers-Fisher方程 1.8×10−3 9.8×10−3 6.6×10−3
    下载: 导出CSV

    表  3  沿对角线的中子注量率绝对误差对比

    Table  3.   Comparison of the Absolute Error of the Fluxes along Diagonal Lines

    方程类型 PFNN-LBM/(cm–2·s–1) PINN/(cm–2·s–1)
    扩散方程 4.35×10−3 9.990×10−4
    非线性导热方程 2.96×10−3 4.796×10−3
    Sine-Gordon方程 4.46×10−3 9.918×10−4
    Burgers-Fisher方程 1.83×10−3 2.452×10−3
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-31
  • 修回日期:  2024-08-21
  • 网络出版日期:  2025-01-15

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