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A theory-informed machine learning approach for cryogenic cavitation prediction

空化 人工神经网络 人工智能 物理 机器学习 过程(计算) 操作员(生物学) 计算机科学 机械 生物化学 化学 抑制因子 转录因子 基因 操作系统
作者
Jiakai Zhu,Fangtai Guo,Shiqiang Zhu,Wei Song,Tiefeng Li,Xiaobin Zhang,Jason Gu
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:35 (3) 被引量:9
标识
DOI:10.1063/5.0142516
摘要

Inferring cryogenic cavitation features from the boundary conditions (BCs) remains a challenge due to the nonlinear thermal effects. This paper aims to build a fast model for cryogenic cavitation prediction from the BCs. Different from the traditional numerical solvers and conventional physics-informed neural networks, the approach can realize near real-time inference as the BCs change without a recalculating or retraining process. The model is based on the fusion of simple theories and neural network. It utilizes theories such as the B-factor theory to construct a physical module, quickly inferring hidden physical features from the BCs. These features represent the local and global cavitation intensity and thermal effect, which are treated as functions of location x. Then, a neural operator builds the mapping between these features and target functions (local pressure coefficient or temperature depression). The model is trained and validated based on the experimental measurements by Hord for liquid nitrogen and hydrogen. Effects of the physical module and training dataset size are investigated in terms of prediction errors. It is validated that the model can learn hidden knowledge from a small amount of experimental data and has considerable accuracy for new BCs and locations. In addition, preliminary studies show that it has the potential for cavitation prediction in unseen cryogenic liquids or over new geometries without retraining. The work highlights the potential of merging simple physical models and neural networks together for cryogenic cavitation prediction.
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