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南乌拉尔国立大学科学家利用神经网络加速流体气体动力学过程的数值模拟

南乌拉尔国立大学研究团队在В.Б.赫里斯坚科资助项目的支持下,正致力于开发一款软件系统,以简化工程设计流程。在经典计算流体气体动力学(颁贵顿)中,求解过程采用迭代方式进行,需构建计算网格,对于复杂问题而言,这一过程往往需要数小时甚至数天。

据项目负责人——南乌拉尔国立大学航空航天学院院长、飞行器发动机教研室主任、技术科学副博士、副教授鲁斯兰·佩什科夫介绍,该求解器核心采用了一颗经质量、动量和能量守恒定律训练的神经网络。在神经网络训练过程中,会借助经典颁贵顿的计算机制,但训练完成后,该网络表现为一个对于坐标和问题参数的函数,无需大量迭代即可直接输出速度、压力和温度值。这能够在多方案设计早期阶段加速计算,对航空航天领域而言尤为关键。

项目目前正处于构建神经网络训练环境的阶段。研究人员正针对外部绕流、内部流动及传热等问题探索不同的网络架构。目前已有多篇论文发表于会议论文集,包括第八届“民航:历史与当代”国际科学与实践会议、第十八届“青年·技术·太空”国际青年科学与技术会议;另有一篇论文已投稿至ВАК(俄罗斯最高学位评定委员会)期刊,同时正基于训练环境软件代码的开发成果准备知识产权申请。

值得强调的是,该开发面向的对象并非程序员,而是普通的计算工程师。图形界面将与标准颁贵顿软件包类似,执行计算时无需具备神经网络编程知识。不过,针对特定任务进行模型微调仍需相应的专业能力。此外,网络训练需要高性能工作站,但后续实际计算时,普通个人计算机即可满足需求。

展望未来,开发团队计划向分离流、多相流、含激波流动及气动声学等方向拓展。此外,团队还规划了笔滨狈狈(物理信息神经网络)与骋础狈(生成对抗网络)的协同应用,其中一张网络负责生成新的几何外形(如翼型),另一张则即时评估各项性能指标(如气动特性),这将为全自动化最优方案搜索开辟新的可能。

由此可见,基于笔滨狈狈的神经网络求解器是经典颁贵顿方法的有前景的补充,而非完全替代——至少在近期内如此。

该项目在В.Б.赫里斯坚科“迈向未来”资助计划框架下实施。该计划是“优先事项-2030”框架内对大学发展规划进行年度资金支持的项目,旨在为前沿研究、人才储备建设及特色教育项目(组成部分)的实施提供资助,这些项目决定了南乌拉尔国立大学及车里雅宾斯克州的发展方向。

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