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Physics-informed neural networks with domain decomposition for the incompressible Navier–Stokes equations

物理 纳维-斯托克斯方程组 压缩性 领域(数学分析) 流量(数学) 区域分解方法 人工神经网络 不可压缩流 趋同(经济学) 偏微分方程 应用数学 机械 数学分析 热力学 人工智能 有限元法 数学 经济 量子力学 经济增长 计算机科学
作者
Linyan Gu,Shanlin Qin,Lei Xu,Rongliang Chen
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (2) 被引量:36
标识
DOI:10.1063/5.0188830
摘要

Physics-informed neural network (PINN) has emerged as a promising approach for solving differential equations in recent years. However, their application to large-scale complex problems has faced challenges regarding accuracy and efficiency. To address these limitations, domain decomposition has gained popularity as an effective strategy. This paper studies a domain decomposition PINN method for solving incompressible Navier–Stokes equations. We assess the method's predicted accuracy, convergence, and the impact of different strategies on performance. In the domain decomposition PINN method, individual PINN is employed for each subdomain to compute local solutions, which are seamlessly connected by enforcing additional continuity conditions at the interfaces. To improve the method's performance, we investigate various continuity conditions at the interfaces and analyze their influence on the predictive accuracy and interface continuity. Furthermore, we introduce two approaches: the dynamic weight method and a novel neural network architecture incorporating attention mechanisms, both aimed at mitigating gradient pathologies commonly encountered in PINN methods. To demonstrate the effectiveness of the proposed method, we apply it to a range of forward and inverse problems involving diverse incompressible Navier–Stokes flow scenarios. This includes solving benchmark problems such as the two-dimensional (2D) Kovasznay flow, the three-dimensional (3D) Beltrami flow, the 2D lid-driven cavity flow, and the 2D cylinder wake. Additionally, we conduct 3D blood flow simulations for synthetic flow geometries and real blood vessels. The experimental results demonstrate the capability and versatility of the domain decomposition PINN method in accurately solving incompressible Navier–Stokes flow problems.
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