DeepCFD(Deep Computational Fluid Dynamics)¶
# linux
wget -nc -P ./datasets/ https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/DeepCFD/dataX.pkl
wget -nc -P ./datasets/ https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/DeepCFD/dataY.pkl
# windows
# curl --create-dirs -o ./datasets/dataX.pkl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/DeepCFD/dataX.pkl
# curl --create-dirs -o ./datasets/dataX.pkl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/DeepCFD/dataY.pkl
python deepcfd.py
# linux
wget -nc -P ./datasets/ https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/DeepCFD/dataX.pkl
wget -nc -P ./datasets/ https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/DeepCFD/dataY.pkl
# windows
# curl --create-dirs -o ./datasets/dataX.pkl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/DeepCFD/dataX.pkl
# curl --create-dirs -o ./datasets/dataX.pkl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/DeepCFD/dataY.pkl
python deepcfd.py mode=eval EVAL.pretrained_model_path=https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/models/deepcfd/deepcfd_pretrained.pdparams
预训练模型 | 指标 |
---|---|
deepcfd_pretrained.pdparams | MSE.Total_MSE(mse_validator): 1.92947 MSE.Ux_MSE(mse_validator): 0.70684 MSE.Uy_MSE(mse_validator): 0.21337 MSE.p_MSE(mse_validator): 1.00926 |
1. 背景简介¶
计算流体力学(Computational fluid dynamics, CFD)模拟通过求解 Navier-Stokes 方程(N-S 方程),可以获得流体的各种物理量的分布,如密度、压力和速度等。在微电子系统、土木工程和航空航天等领域应用广泛。
在某些复杂的应用场景中,如机翼优化和流体与结构相互作用方面,需要使用千万级甚至上亿的网格对问题进行建模(如下图所示,下图展示了 F-18 战斗机的全机内外流一体结构化网格模型),导致 CFD 的计算量非常巨大。因此,目前亟需发展出一种相比于传统 CFD 方法更高效,且可以保持计算精度的方法。
2. 问题定义¶
Navier-Stokes 方程是用于描述流体运动的方程,它的二维形式如下,
质量守恒:
动量守恒:
其中 \(\bf{u}\) 是速度场(具有 x 和 y 两个维度),\(\rho\) 是密度, \(p\) 是压强场,\(\bf{f}\) 是体积力(例如重力)。
假设满足非均匀稳态流体条件,方程可去掉时间相关项,并将 \(\bf{u}\) 分解为速度分量 \(u_x\) 和 \(u_y\) ,动量方程可重写成:
其中 \(g\) 代表重力加速度,\(\nu\) 代表流体的动力粘度。
3. 问题求解¶
上述问题通常可使用 OpenFOAM 进行传统数值方法的求解,但计算量很大,接下来开始讲解如何基于 PaddleScience 代码,用深度学习的方法求解该问题。
本案例基于论文 Ribeiro M D, Rehman A, Ahmed S, et al. DeepCFD: Efficient steady-state laminar flow approximation with deep convolutional neural networks 的方法进行求解,关于该方法的理论部分请参考原论文。 为了快速理解 PaddleScience,接下来仅对模型构建、方程构建、计算域构建等关键步骤进行阐述,而其余细节请参考 API文档。
3.1 数据集介绍¶
该数据集中的数据使用 OpenFOAM 求得。数据集有两个文件 dataX 和 dataY。dataX 包含 981 个通道流样本几何形状的输入信息,dataY 包含对应的 OpenFOAM 求解结果。
运行本问题代码前请按照下方命令下载 dataX 和 dataY:
wget -nc -P ./datasets/ https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/DeepCFD/dataX.pkl
wget -nc -P ./datasets/ https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/DeepCFD/dataY.pkl
dataX 和 dataY 都具有相同的维度(Ns,Nc,Nx,Ny),其中第一轴是样本数(Ns),第二轴是通道数(Nc),第三和第四轴分别是 x 和 y 中的元素数量(Nx 和 Ny)。在输入数据 dataX 中,第一通道是计算域中障碍物的SDF(Signed distance function),第二通道是流动区域的标签,第三通道是计算域边界的 SDF。在输出数据 dataY 中,第一个通道是水平速度分量(Ux),第二个通道是垂直速度分量(Uy),第三个通道是流体压强(p)。
数据集原始下载地址为:https://zenodo.org/record/3666056/files/DeepCFD.zip?download=1
我们将数据集以 7:3 的比例划分为训练集和验证集,代码如下:
3.2 模型构建¶
在上述问题中,我们确定了输入为 input,输出为 output,按照论文所述,我们使用含有 3 个 encoder 和 decoder 的 UNetEx 网络来创建模型。
模型的输入包含了障碍物的 SDF(Signed distance function)、流动区域的标签以及计算域边界的 SDF。模型的输出包含了水平速度分量(Ux),垂直速度分量(Uy)以及流体压强(p)。
模型创建用 PaddleScience 代码表示如下:
3.3 约束构建¶
本案例基于数据驱动的方法求解问题,因此需要使用 PaddleScience 内置的 SupervisedConstraint
构建监督约束。在定义约束之前,需要首先指定监督约束中用于数据加载的各个参数,代码如下:
SupervisedConstraint
的第一个参数是数据的加载方式,这里填入相关数据的变量名。
第二个参数是损失函数的定义,这里使用自定义的损失函数,分别计算 Ux 和 Uy 的均方误差,以及 p 的标准差,然后三者加权求和。
第三个参数是约束条件的名字,方便后续对其索引。此次命名为 "sup_constraint"。
在监督约束构建完毕之后,以我们刚才的命名为关键字,封装到一个字典中,方便后续访问。
examples/deepcfd/deepcfd.py | |
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3.4 超参数设定¶
接下来需要在配置文件中指定训练轮数,此处我们按实验经验,使用一千轮训练轮数。
examples/deepcfd/conf/deepcfd.yaml | |
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3.5 优化器构建¶
训练过程会调用优化器来更新模型参数,此处选择较为常用的 Adam
优化器,学习率设置为 0.001,权重衰减设置为 0.005。
examples/deepcfd/deepcfd.py | |
---|---|
3.6 评估器构建¶
在训练过程中通常会按一定轮数间隔,用验证集评估当前模型的训练情况,我们使用 ppsci.validate.SupervisedValidator
构建评估器。
评价指标 metric
这里自定义了四个指标 Total_MSE、Ux_MSE、Uy_MSE 和 p_MSE。
其余配置与 约束构建 的设置类似。
3.7 模型训练、评估¶
完成上述设置之后,只需要将上述实例化的对象按顺序传递给 ppsci.solver.Solver
,然后启动训练、评估。
3.8 结果可视化¶
使用 matplotlib 绘制相同输入参数时的 OpenFOAM 和 DeepCFD 的计算结果,进行对比。这里绘制了验证集第 0 个数据的计算结果。
examples/deepcfd/deepcfd.py | |
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4. 完整代码¶
examples/deepcfd/deepcfd.py | |
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5. 结果展示¶
可以看到DeepCFD方法与OpenFOAM的结果基本一致。