Modeling the dynamics of PDE systems with physics-constrained deep auto-regressive networks

动力系统理论 偏微分方程 深度学习 计算机科学 伯格斯方程 应用数学 人工神经网络 不确定度量化 物理系统 人工智能 算法 数学优化 机器学习 物理 数学 量子力学 数学分析
作者
Nicholas Geneva,Nicholas J. Zabaras
出处
期刊:Journal of Computational Physics [Elsevier BV]
卷期号:403: 109056-109056 被引量:346
标识
DOI:10.1016/j.jcp.2019.109056
摘要

In recent years, deep learning has proven to be a viable methodology for surrogate modeling and uncertainty quantification for a vast number of physical systems. However, in their traditional form, such models can require a large amount of training data. This is of particular importance for various engineering and scientific applications where data may be extremely expensive to obtain. To overcome this shortcoming, physics-constrained deep learning provides a promising methodology as it only utilizes the governing equations. In this work, we propose a novel auto-regressive dense encoder-decoder convolutional neural network to solve and model non-linear dynamical systems without training data at a computational cost that is potentially magnitudes lower than standard numerical solvers. This model includes a Bayesian framework that allows for uncertainty quantification of the predicted quantities of interest at each time-step. We rigorously test this model on several non-linear transient partial differential equation systems including the turbulence of the Kuramoto-Sivashinsky equation, multi-shock formation and interaction with 1D Burgers' equation and 2D wave dynamics with coupled Burgers' equations. For each system, the predictive results and uncertainty are presented and discussed together with comparisons to the results obtained from traditional numerical analysis methods.

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