2D-LDC(2D Lid Driven Cavity Flow)¶
# linux
wget -nc -P ./data/ \
https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re100.mat \
https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re400.mat \
https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re1000.mat \
https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re3200.mat
# windows
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re100.mat --create-dirs -o ./data/ldc_Re100.mat
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re400.mat --create-dirs -o ./data/ldc_Re400.mat
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re1000.mat --create-dirs -o ./data/ldc_Re1000.mat
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re3200.mat --create-dirs -o ./data/ldc_Re3200.mat
python ldc_2d_Re3200_sota.py
# linux
wget -nc -P ./data/ https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re1000.mat
# windows
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re1000.mat --create-dirs -o ./data/ldc_Re1000.mat
python ldc_2d_Re3200_sota.py mode=eval EVAL.pretrained_model_path=https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/models/ldc/ldc_re1000_sota_pretrained.pdparams
预训练模型 | \(Re\) | 指标 |
---|---|---|
- | 100 | U_validator/loss: 0.00017 U_validator/L2Rel.U: 0.04875 |
- | 400 | U_validator/loss: 0.00047 U_validator/L2Rel.U: 0.07554 |
ldc_re1000_sota_pretrained.pdparams | 1000 | U_validator/loss: 0.00053 U_validator/L2Rel.U: 0.07777 |
- | 3200 | U_validator/loss: 0.00227 U_validator/L2Rel.U: 0.15440 |
# linux
wget -nc -P ./data/ \
https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re100.mat \
https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re400.mat \
https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re1000.mat \
https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re1600.mat \
https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re3200.mat
# windows
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re100.mat --create-dirs -o ./data/ldc_Re100.mat
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re400.mat --create-dirs -o ./data/ldc_Re400.mat
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re1000.mat --create-dirs -o ./data/ldc_Re1000.mat
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re1600.mat --create-dirs -o ./data/ldc_Re1600.mat
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re3200.mat --create-dirs -o ./data/ldc_Re3200.mat
python ldc_2d_Re3200_piratenet.py
# linux
wget -nc -P ./data/ https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re3200.mat
# windows
# curl https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/datasets/ldc/ldc_Re3200.mat --create-dirs -o ./data/ldc_Re3200.mat
python ldc_2d_Re3200_piratenet.py mode=eval EVAL.pretrained_model_path=https://paddle-org.bj.bcebos.com/paddlescience/models/ldc/ldc_re3200_piratenet_pretrained.pdparams
预训练模型 | \(Re\) | 指标 |
---|---|---|
- | 100 | U_validator/loss: 0.00016 U_validator/L2Rel.U: 0.04741 |
- | 400 | U_validator/loss: 0.00071 U_validator/L2Rel.U: 0.09288 |
- | 1000 | U_validator/loss: 0.00191 U_validator/L2Rel.U: 0.14797 |
- | 1600 | U_validator/loss: 0.00276 U_validator/L2Rel.U: 0.17360 |
ldc_re3200_piratenet_pretrained.pdparams | 3200 | U_validator/loss: 0.00016 U_validator/L2Rel.U: 0.04166 |
说明
本案例仅提供 \(Re=1000/3200\) 两种情况下的预训练模型,若需要其他雷诺数下的预训练模型,请执行训练命令手动训练即可得到各雷诺数下的模型权重。
1. 背景简介¶
顶盖方腔驱动流LDC问题在许多领域中都有应用。例如,这个问题可以用于计算流体力学(CFD)领域中验证计算方法的有效性。虽然这个问题的边界条件相对简单,但是其流动特性却非常复杂。在顶盖驱动流LDC中,顶壁朝x方向以U=1的速度移动,而其他三个壁则被定义为无滑移边界条件,即速度为零。
此外,顶盖方腔驱动流LDC问题也被用于研究和预测空气动力学中的流动现象。例如,在汽车工业中,通过模拟和分析车体内部的空气流动,可以帮助优化车辆的设计和性能。
总的来说,顶盖方腔驱动流LDC问题在计算流体力学、空气动力学以及相关领域中都有广泛的应用,对于研究和预测流动现象、优化产品设计等方面都起到了重要的作用。
2. 问题定义¶
本案例假设 \(Re=3200\),计算域为一个长宽均为 1 的方腔,应用以下公式进行顶盖驱动方腔流研究稳态流场问题:
质量守恒:
\(x\) 动量守恒:
\(y\) 动量守恒:
令:
\(t^* = \dfrac{L}{U_0}\)
\(x^*=y^* = L\)
\(u^*=v^* = U_0\)
\(p^* = \rho {U_0}^2\)
定义:
无量纲坐标 \(x:X = \dfrac{x}{x^*}\);无量纲坐标 \(y:Y = \dfrac{y}{y^*}\)
无量纲速度 \(x:U = \dfrac{u}{u^*}\);无量纲速度 \(y:V = \dfrac{v}{u^*}\)
无量纲压力 \(P = \dfrac{p}{p^*}\)
雷诺数 \(Re = \dfrac{L U_0}{\nu}\)
则可获得如下无量纲Navier-Stokes方程,施加于方腔内部:
质量守恒:
\(x\) 动量守恒:
\(y\) 动量守恒:
对于方腔边界,则需施加 Dirichlet 边界条件:
上边界:
左边界、下边界、右边界:
3. 问题求解¶
接下来开始讲解如何将问题一步一步地转化为 PaddleScience 代码,用深度学习的方法求解该问题。 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 模型构建¶
在 2D-LDC 问题中,每一个已知的坐标点 \((x, y)\) 都有自身的横向速度 \(u\)、纵向速度 \(v\)、压力 \(p\) 三个待求解的未知量,我们在这里使用适合于 PINN 任务的 PirateNet 来表示 \((x, y)\) 到 \((u, v, p)\) 的映射函数 \(f: \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}^3\) ,即:
上式中 \(f\) 即为 PirateNet
模型本身,用 PaddleScience 代码表示如下
其中 cfg.MODEL
配置如下所示:
为了在计算时,准确快速地访问具体变量的值,我们在这里指定网络模型的输入变量名是 ["x", "y"]
,输出变量名是 ["u", "v", "p"]
,这些命名与后续代码保持一致。
如上所示,通过指定 PirateNet
的层数、神经元个数以及激活函数,我们就实例化出了一个拥有 12 层隐藏神经元,每层神经元数为 256,使用 "tanh" 作为激活函数的神经网络模型 model
。
3.2 Curriculum Learning¶
为了加快收敛速度,我们使用 Curriculum learning 的方法来训练模型,即先训练模型在低雷诺数下,然后逐步增加雷诺数,最终达到高雷诺数下的收敛。
3.3 方程构建¶
由于 2D-LDC 使用的是 Navier-Stokes 方程的2维稳态形式,因此可以直接使用 PaddleScience 内置的 NavierStokes
。
在课程学习的函数中,我们在实例化 NavierStokes
类时需指定必要的参数:动力粘度 \(\nu=\frac{1}{Re}\), 流体密度 \(\rho=1.0\),其中 \(Re\) 是一个随着训练过程中会逐步增大的变量。
3.4 计算域构建¶
本文中 2D-LDC 问题训练、评估所需的数据,通过读取对应雷诺数的文件得到。
3.5 约束构建¶
根据 2. 问题定义 得到的无量纲公式和和边界条件,对应了在计算域中指导模型训练的两个约束条件,即:
-
施加在矩形内部点上的无量纲 Navier-Stokes 方程约束(经过简单移项)
\[ \dfrac{\partial U}{\partial X} + \dfrac{\partial U}{\partial Y} = 0 \]\[ U\dfrac{\partial U}{\partial X} + V\dfrac{\partial U}{\partial Y} + \dfrac{\partial P}{\partial X} - \dfrac{1}{Re}(\dfrac{\partial ^2 U}{\partial X^2} + \dfrac{\partial ^2 U}{\partial Y^2}) = 0 \]\[ U\dfrac{\partial V}{\partial X} + V\dfrac{\partial V}{\partial Y} + \dfrac{\partial P}{\partial Y} - \dfrac{1}{Re}(\dfrac{\partial ^2 V}{\partial X^2} + \dfrac{\partial ^2 V}{\partial Y^2}) = 0 \]为了方便获取中间变量,
NavierStokes
类内部将上式左侧的结果分别命名为continuity
,momentum_x
,momentum_y
。 -
施加在矩形上、下、左、右边界上的 Dirichlet 边界条件约束
上边界:
\[ u(x, y) = 1 − \dfrac{\cosh (C_0(x − 0.5))} {\cosh (0.5C_0)} , \]左边界、下边界、右边界:
\[ u=0, v=0 \]
接下来使用 PaddleScience 内置的 SupervisedConstraint
构建上述两种约束条件。
3.5.1 内部点约束¶
以作用在矩形内部点上的 SupervisedConstraint
为例,代码如下:
SupervisedConstraint
的第一个参数是数据集配置,用于描述如何构建输入数据,此处填入输入数据和标签数据的构造函数函数 gen_input_batch
和 gen_label_batch
,以及数据集的名称 ContinuousNamedArrayDataset
;
第二个参数是约束变量的目标值,此处填入在 3.3 方程构建 章节中实例化好的 equation["NavierStokes"].equations
;
第三个参数是损失函数,此处我们选用常用的 MSE
函数,且 reduction
设置为 "mean"
,即我们会将参与计算的所有数据点产生的损失项平均;
第四个参数是约束条件的名字,我们需要给每一个约束条件命名,方便后续对其索引。此处我们命名为 "PDE" 即可。
3.5.2 边界约束¶
将上边界的标签数据按照上述对应公式进行处理,其余点的标签数据设置为 0。然后继续构建方腔边界的 Dirichlet 约束,我们仍然使用 SupervisedConstraint
类。
在微分方程约束、边界约束、初值约束构建完毕之后,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。
3.6 超参数设定¶
接下来需要在配置文件中指定训练轮数,分别在 Re=100, 400, 1000, 1600, 3200 上训练 10, 20, 50, 50, 500 轮,每轮迭代次数为 1000,
其次,设置合适的学习率衰减策略,
最后,设置训练过程中损失自动平衡策略为 GradNorm
,
3.7 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。
3.8 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(测试集)评估当前模型的训练情况,因此使用 ppsci.validate.SupervisedValidator
构建评估器。
此处计算 \(U=\sqrt{u^2+v^2}\) 的预测误差;
评价指标 metric
选择 ppsci.metric.L2Rel
即可;
其余配置与 约束构建 的设置类似。
3.9 模型训练、评估与可视化¶
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
4. 完整代码¶
ldc_2d_Re3200_piratenet.py | |
---|---|
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|
5. 结果展示¶
下方展示了模型对于边长为 1 的正方形计算域的内部点进行预测的结果 \(U=\sqrt{u^2+v^2}\)。
可以看到在 \(Re=1000\) 下,预测结果与求解器的结果基本相同(L2 相对误差为 7.7%)。
可以看到在 \(Re=3200\) 下,预测结果与求解器的结果基本相同(L2 相对误差为 4.1%)。