MODEL REDUCTION FOR FLUIDS, USING BALANCED PROPER ORTHOGONAL DECOMPOSITION

格拉米安矩阵 可观测性 模型降阶 数学 还原(数学) 投影(关系代数) 截断(统计) 计算 截断误差 应用数学 数学优化 非线性系统 算法 计算机科学 量子力学 统计 物理 特征向量 几何学
作者
Clarence W. Rowley
出处
期刊:International Journal of Bifurcation and Chaos [World Scientific]
卷期号:15 (03): 997-1013 被引量:846
标识
DOI:10.1142/s0218127405012429
摘要

Many of the tools of dynamical systems and control theory have gone largely unused for fluids, because the governing equations are so dynamically complex, both high-dimensional and nonlinear. Model reduction involves finding low-dimensional models that approximate the full high-dimensional dynamics. This paper compares three different methods of model reduction: proper orthogonal decomposition (POD), balanced truncation, and a method called balanced POD. Balanced truncation produces better reduced-order models than POD, but is not computationally tractable for very large systems. Balanced POD is a tractable method for computing approximate balanced truncations, that has computational cost similar to that of POD. The method presented here is a variation of existing methods using empirical Gramians, and the main contributions of the present paper are a version of the method of snapshots that allows one to compute balancing transformations directly, without separate reduction of the Gramians; and an output projection method, which allows tractable computation even when the number of outputs is large. The output projection method requires minimal additional computation, and has a priori error bounds that can guide the choice of rank of the projection. Connections between POD and balanced truncation are also illuminated: in particular, balanced truncation may be viewed as POD of a particular dataset, using the observability Gramian as an inner product. The three methods are illustrated on a numerical example, the linearized flow in a plane channel.
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