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Modeling heat conduction with dual-dissipative variables: A mechanism-data fusion method

热传导 非平衡态热力学 耗散系统 统计物理学 消散 傅里叶变换 格子Boltzmann方法 物理 偏微分方程 傅里叶级数 玻尔兹曼方程 计算机科学 机械 数学分析 数学 热力学 量子力学
作者
Leheng Chen,Chuang Zhang,Jin Zhao
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:110 (2): 025303-025303 被引量:1
标识
DOI:10.1103/physreve.110.025303
摘要

Many macroscopic non-Fourier heat conduction models have been developed in the past decades based on Chapman-Enskog, Hermite, or other small perturbation expansion methods. These macroscopic models have achieved great success in capturing non-Fourier thermal behaviors in solid materials, but most of them are limited by small Knudsen numbers and incapable of capturing highly nonequilibrium or ballistic thermal transport. In this paper, we provide a different strategy for constructing macroscopic non-Fourier heat conduction modeling, that is, using data-driven deep-learning methods combined with nonequilibrium thermodynamics instead of small perturbation expansion. We present the mechanism-data fusion method, an approach that seamlessly integrates the rigorous framework of conservation-dissipation formalism (CDF) with the flexibility of machine learning to model non-Fourier heat conduction. Leveraging the conservation-dissipation principle with dual-dissipative variables, we derive an interpretable series of partial differential equations, fine tuned through a training strategy informed by data from the phonon Boltzmann transport equation. Moreover, we also present the inner-step operation to narrow the gap from the discrete form to the continuous system. Through numerical tests, our model demonstrates excellent predictive capabilities across various heat conduction regimes, including diffusive, hydrodynamic, and ballistic regimes, and displays its robustness and precision even with discontinuous initial conditions.
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