基于物理信息的一致运动用于预测拉格朗日轨迹
流体动力学
2026-05-07 v2
摘要
准确预测湍流流动中的拉格朗日轨迹由于输运函数中信息的有限性而具有挑战性。本文表明，共享相同动力学的周围一致运动携带足够的信息，即使仅从稀疏的时间观察中，也能提供高度可能的轨迹。提出的一致预测器建立在拉格朗日一致结构 (LCSs) 之上，这些结构是支配相邻粒子运动的输运屏障。通过有限时间李普谢夫指数 (FTLE) 对一致轨迹进行局部分割进行量化。一致预测器将来自粒子位置历史记录、周围一致速度和加速度的信息纳入一种新建构的成本函数，用于预测其轨迹。该提议的成本函数遵循基于物理的方案，其中位置历史记录充当数据保真项，一致速度和加速度充当基于物理的正则化约束。我们使用三维 (3D) 合成和实验数据（后缘平滑圆柱后的湍流）以及二维 (2D) 均匀各向同性湍流 (HIT) 流动进行评估。由于一致预测器在流动维数、雷诺数和流动拓扑结构方面表现一致，故而被认为是通用的。我们的结果表明，最优成本函数参数可从测量不确定性建模，从而比当前方法产生更低的预测误差和不确定性。我们看到流动拓扑在预测误差图中的直接信號，包括圆柱前缘边界层、侧向剪切层以及涡旋形成结构。这些拓扑特征以高的拉格朗日梯度和三维方向运动为标志。
引用
@article{arxiv.2508.21191,
title = {Physics-informed coherent motions to predict Lagrangian trajectories},
author = {Ali R Khojasteh and Dominique Heitz},
journal= {arXiv preprint arXiv:2508.21191},
year = {2026}
}
备注
44 pages, 18 figures. Revised version. Submitted to the Journal of Fluid Mechanics