近日，我院首屆致遠(yuǎn)榮譽(yù)計(jì)劃博士生黃建青在Journal of Fluid Mechanics發(fā)表“Rapids系列”論文，介紹流體力學(xué)領(lǐng)域的重要進(jìn)展。在題為“Online in situ prediction of 3D flame evolution from its history 2D projections via deep learning”的論文中，作者借助深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）構(gòu)建了數(shù)據(jù)驅(qū)動的火焰演化過程預(yù)測模型，首次演示了火焰三維結(jié)構(gòu)演化的快速預(yù)測。論文第一作者為黃建青，共同作者為葉輪機(jī)械研究所博士生劉何聰，通訊作者為蔡偉偉特別研究員。
圖一：CNN-LSTM火焰預(yù)測模型原理圖。對于訓(xùn)練好的模型，輸入一小段連續(xù)的火焰二維投影照片，
即可快速準(zhǔn)確地預(yù)測出火焰在未來某一時(shí)刻的三維結(jié)構(gòu)。
一直以來，火焰三維演化過程的在線精確預(yù)測及優(yōu)化控制是燃燒科研工作者的終極目標(biāo)，被認(rèn)為是燃燒界的圣杯。近年來，隨著大規(guī)模計(jì)算機(jī)集群和超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）取得了長足的進(jìn)步，已廣泛應(yīng)用于真實(shí)環(huán)境下各種復(fù)雜流場的模擬研究。然而，由于計(jì)算量過于巨大，目前最為先進(jìn)的CFD技術(shù)如直接數(shù)值模擬（DNS）仍無法實(shí)現(xiàn)火焰演化過程的在線精確預(yù)測。為此，黃建青等通過結(jié)合最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)（即單相機(jī)高速三維層析技術(shù)）和深度學(xué)習(xí)算法，提出了全新的火焰演化預(yù)測方法。概念性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明，僅僅使用普通GPU服務(wù)器即可實(shí)現(xiàn)典型的層流擴(kuò)散火焰和非預(yù)混旋流火焰三維演化過程的快速精確預(yù)測，處理時(shí)間僅需毫秒量級。通過增加GPU的數(shù)目或?qū)崿F(xiàn)并行計(jì)算，預(yù)測所需時(shí)間可進(jìn)一步縮短，證實(shí)了火焰三維演化過程實(shí)時(shí)預(yù)測的可行性。
該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景：例如，通過結(jié)合控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)、電站鍋爐等動力裝置的實(shí)時(shí)優(yōu)化及運(yùn)行；同時(shí)，隨著公共安全受到廣泛關(guān)注，該技術(shù)也可用于火災(zāi)等災(zāi)害的預(yù)測與報(bào)警。該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金（NO. 51706141）的支持。
流體力學(xué)期刊是劍橋大學(xué)出版社旗下的核心期刊之一，刊載有關(guān)流體力學(xué)理論、數(shù)值、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用論文，涉及航空學(xué)、天體物理學(xué)、化學(xué)與機(jī)械工程、水力學(xué)、氣象學(xué)、海洋學(xué)等領(lǐng)域，是國際上最有影響力的流體力學(xué)期刊。
文章鏈接：http://dx.doi.org/10.1017/jfm.2019.545
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