Efficient simulation of the Navier-Stokes equations for fluid flow is a long standing problem in applied mathematics, for which state-of-the-art methods require large compute resources. In this work, we propose a data-driven approach that leverages the approximation power of deep-learning with the precision of standard solvers to obtain fast and highly realistic simulations. Our method solves the incompressible Euler equations using the standard operator splitting method, in which a large sparse linear system with many free parameters must be solved. We use a Convolutional Network with a highly tailored architecture, trained using a novel unsupervised learning framework to solve the linear system. We present real-time 2D and 3D simulations that outperform recently proposed data-driven methods; the obtained results are realistic and show good generalization properties.

这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。

在本文中，我们根据卷积神经网络训练湍流模型。这些学到的湍流模型改善了在模拟时为不可压缩的Navier-Stokes方程的溶解不足的低分辨率解。我们的研究涉及开发可区分的数值求解器，该求解器通过多个求解器步骤支持优化梯度的传播。这些属性的重要性是通过那些模型的出色稳定性和准确性来证明的，这些模型在训练过程中展开了更多求解器步骤。此外，我们基于湍流物理学引入损失项，以进一步提高模型的准确性。这种方法应用于三个二维的湍流场景，一种均匀的腐烂湍流案例，一个暂时进化的混合层和空间不断发展的混合层。与无模型模拟相比，我们的模型在长期A-posterii统计数据方面取得了重大改进，而无需将这些统计数据直接包含在学习目标中。在推论时，我们提出的方法还获得了相似准确的纯粹数值方法的实质性改进。

水生运动是生物学家和工程师感兴趣的经典流体结构相互作用（FSI）问题。求解完全耦合的FSI方程，用于不可压缩的Navier-Stokes和有限的弹性在计算上是昂贵的。在这种系统中，优化机器人游泳器设计通常涉及在已经昂贵的模拟之上繁琐的，无梯度的程序。为了应对这一挑战，我们提出了一种针对FSI的新颖，完全可区分的混合方法，该方法结合了2D直接数值模拟，用于游泳器的可变形固体结构和物理受限的神经网络替代物，以捕获流体的流体动力效应。对于游泳者身体的可变形实心模拟，我们使用来自计算机图形领域的最新技术来加快有限元方法（FEM）。对于流体模拟，我们使用经过基于物理损耗功能的U-NET体系结构来预测每个时间步骤的流场。使用沉浸式边界方法（IBM）在我们游泳器边界的边界周围采样了来自神经网络的压力和速度场输出，以准确有效地计算其游泳运动。我们证明了混合模拟器在2D Carangiform游泳器上的计算效率和可不同性。由于可怜性，该模拟器可用于通过基于直接梯度的优化浸入流体中的软体体系的控件设计。

物理信息的神经网络（PINN）是神经网络（NNS），它们作为神经网络本身的组成部分编码模型方程，例如部分微分方程（PDE）。如今，PINN是用于求解PDE，分数方程，积分分化方程和随机PDE的。这种新颖的方法已成为一个多任务学习框架，在该框架中，NN必须在减少PDE残差的同时拟合观察到的数据。本文对PINNS的文献进行了全面的综述：虽然该研究的主要目标是表征这些网络及其相关的优势和缺点。该综述还试图将出版物纳入更广泛的基于搭配的物理知识的神经网络，这些神经网络构成了香草·皮恩（Vanilla Pinn）以及许多其他变体，例如物理受限的神经网络（PCNN），各种HP-VPINN，变量HP-VPINN，VPINN，VPINN，变体。和保守的Pinn（CPINN）。该研究表明，大多数研究都集中在通过不同的激活功能，梯度优化技术，神经网络结构和损耗功能结构来定制PINN。尽管使用PINN的应用范围广泛，但通过证明其在某些情况下比有限元方法（FEM）等经典数值技术更可行的能力，但仍有可能的进步，最著名的是尚未解决的理论问题。

具有经典数字求解器的湍流模拟需要非常高分辨率的网格来准确地解决动态。在这里，我们以低空间和时间分辨率培训学习模拟器，以捕获高分辨率产生的湍流动态。我们表明我们所提出的模型可以比各种科学相关指标的相同低分辨率的经典数字求解器更准确地模拟湍流动态。我们的模型从数据训练结束到底，能够以低分辨率学习一系列挑战性的混乱和动态动态，包括最先进的雅典娜++发动机产生的轨迹。我们表明，我们的更简单，通用体系结构优于来自所学到的湍流模拟文献的各种专业的湍流特异性架构。一般来说，我们看到学习的模拟器产生不稳定的轨迹;但是，我们表明调整训练噪音和时间下采样解决了这个问题。我们还发现，虽然超出培训分配的泛化是学习模型，训练噪声，卷积架构以及增加损失约束的挑战。广泛地，我们得出的结论是，我们所知的模拟器优于传统的求解器在较粗糙的网格上运行，并强调简单的设计选择可以提供稳定性和鲁棒的泛化。

直接从图像中提取流体运动的信息具有挑战性。流体流量代表一个由Navier-Stokes方程控制的复杂动态系统。一般的光流法通常是为刚体运动设计的，因此如果直接应用于流体运动估计，则努力挣扎。此外，光流方法仅专注于两个连续的帧而不利用历史时间信息，而流体运动（速度场）可以被视为受时间依赖性偏微分方程（PDE）约束的连续轨迹。这种差异有可能引起身体上不一致的估计。在这里，我们提出了一种基于学习的预测校正方案，以进行流体流量估计。首先由PDE受限的光流预测器给出估计值，然后由基于物理的校正器来完善。与现有的基于基于学习的学习方法相比，所提出的方法比在基准数据集上的现有基于监督的学习方法相比，表现出竞争性结果。此外，所提出的方法可以推广到复杂的现实世界情景，在这种情况下，地面真理信息实际上是不可知的。最后，实验表明，物理校正器可以通过模仿通常在流体动力学模拟中使用的操作员分裂方法来完善流量估计。

Here we present a machine learning framework and model implementation that can learn to simulate a wide variety of challenging physical domains, involving fluids, rigid solids, and deformable materials interacting with one another. Our framework-which we term "Graph Network-based Simulators" (GNS)-represents the state of a physical system with particles, expressed as nodes in a graph, and computes dynamics via learned message-passing. Our results show that our model can generalize from single-timestep predictions with thousands of particles during training, to different initial conditions, thousands of timesteps, and at least an order of magnitude more particles at test time. Our model was robust to hyperparameter choices across various evaluation metrics: the main determinants of long-term performance were the number of message-passing steps, and mitigating the accumulation of error by corrupting the training data with noise. Our GNS framework advances the state-of-the-art in learned physical simulation, and holds promise for solving a wide range of complex forward and inverse problems.

地下模拟使用计算模型来预测流体（例如油，水，气体）通过多孔介质的流动。这些模拟在工业应用（例如石油生产）中至关重要，在这些应用中，需要快速，准确的模型来进行高级决策，例如，进行井安置优化和现场开发计划。经典的有限差数数值模拟器需要大量的计算资源来对大规模现实世界的水库进行建模。另外，通过依靠近似物理模型，流线模拟器和数据驱动的替代模型在计算上更有效，但是它们不足以在大规模上对复杂的储层动力学进行建模。在这里，我们介绍了混合图网络模拟器（HGNS），这是一个数据驱动的替代模型，用于学习3D地下流体流的储层模拟。为了模拟局部和全球尺度上的复杂储层动力学，HGN由地下图神经网络（SGNN）组成，以建模流体流的演化和3D-U-NET，以建模压力的演变。 HGNS能够扩展到每个时间步长数百万个单元的网格，比以前的替代模型高两个数量级，并且可以准确地预测流体流量数十亿个时间步长（未来几年）。使用带有110万个单元的行业标准地下流数据集（SPE-10），我们证明HGNS能够将推理时间降低到与标准地下模拟器相比，最高18次，并且通过降低基于学习的模型，它可以优于其他基于学习的模型长期预测错误高达21％。

背景：洪水是世界上最常见的自然灾害，影响数亿岁的生活。因此，洪水预测是一项重要的重要努力，通常使用物理水流模拟实现，依赖于准确的地形升降映射。然而，这种基于求解部分微分方程的这种模拟是在大规模上计算上的禁止。这种可扩展性问题通常使用高程地图的粗网格表示，尽管这种表示可能扭曲了至关重要的地形细节，导致模拟中的显着不准确。贡献：我们训练一个深度神经网络，以执行地形地图的物理信息信息：我们优化地形地图的粗网格表示，以便洪水预测将匹配细网解决方案。对于成功的学习过程，我们专门为此任务配置数据集。我们证明，通过这种方法，可以实现计算成本的显着降低，同时保持准确的解决方案。参考实施伴随着该文件以及数据集再现的文档和代码。

机器学习正迅速成为科学计算的核心技术，并有许多机会推进计算流体动力学领域。从这个角度来看，我们强调了一些潜在影响最高的领域，包括加速直接数值模拟，以改善湍流闭合建模，并开发增强的减少订单模型。我们还讨论了机器学习的新兴领域，这对于计算流体动力学以及应考虑的一些潜在局限性是有希望的。

我们提出了一个机器学习框架，该框架将图像超分辨率技术与级别测量方法中的被动标量传输融为一体。在这里，我们研究是否可以计算直接数据驱动的校正，以最大程度地减少界面的粗晶石演化中的数值粘度。拟议的系统的起点是半拉格朗日配方。并且，为了减少数值耗散，我们引入了一个易于识别的多层感知器。该神经网络的作用是改善数值估计的表面轨迹。为此，它在单个时间范围内处理局部级别集，速度和位置数据，以便在移动前部附近的选择顶点。因此，我们的主要贡献是一种新型的机器学习调音算法，该算法与选择性重新融为一体并与常规对流交替运行，以保持调整后的界面轨迹平滑。因此，我们的程序比基于全卷卷积的应用更有效，因为它仅在自由边界周围集中计算工作。同样，我们通过各种测试表明，我们的策略有效地抵消了数值扩散和质量损失。例如，在简单的对流问题中，我们的方法可以达到与基线方案相同的精度，分辨率是分辨率的两倍，但成本的一小部分。同样，我们的杂种技术可以产生可行的固化前端，以进行结晶过程。另一方面，切向剪切流和高度变形的模拟会导致偏置伪像和推理恶化。同样，严格的设计速度约束可以将我们的求解器的应用限制为涉及快速接口更改的问题。在后一种情况下，我们已经确定了几个机会来增强鲁棒性，而没有放弃我们的方法的基本概念。

由于基础物理学的复杂性以及捕获中的复杂遮挡和照明，从稀疏多视频RGB视频中对流体的高保真重建仍然是一个巨大的挑战。现有的解决方案要么假设障碍和照明知识，要么仅专注于没有障碍物或复杂照明的简单流体场景，因此不适合具有未知照明或任意障碍的现实场景。我们提出了第一种通过从稀疏视频的端到端优化中利用管理物理（即，navier -stokes方程）来重建动态流体的第一种方法，而无需采取照明条件，几何信息或边界条件作为输入。我们使用神经网络作为流体的密度和速度解决方案函数以及静态对象的辐射场函数提供连续的时空场景表示。通过将静态和动态含量分开的混合体系结构，与静态障碍物的流体相互作用首次重建，而没有其他几何输入或人类标记。通过用物理知识的深度学习来增强随时间变化的神经辐射场，我们的方法受益于对图像和物理先验的监督。为了从稀疏视图中实现强大的优化，我们引入了逐层增长策略，以逐步提高网络容量。使用具有新的正则化项的逐步增长的模型，我们设法在不拟合的情况下解除了辐射场中的密度彩色歧义。在避免了次优速度之前，将预验证的密度到速度流体模型借用了，该数据低估了涡度，但可以微不足道地满足物理方程。我们的方法在一组代表性的合成和真实流动捕获方面表现出具有放松的约束和强大的灵活性的高质量结果。

尽管在整个科学和工程中都无处不在，但只有少数部分微分方程（PDE）具有分析或封闭形式的解决方案。这激发了有关PDE的数值模拟的大量经典工作，最近，对数据驱动技术的研究旋转了机器学习（ML）。最近的一项工作表明，与机器学习的经典数值技术的混合体可以对任何一种方法提供重大改进。在这项工作中，我们表明，在纳入基于物理学的先验时，数值方案的选择至关重要。我们以基于傅立叶的光谱方法为基础，这些光谱方法比其他数值方案要高得多，以模拟使用平滑且周期性解决方案的PDE。具体而言，我们为流体动力学的三个模型PDE开发了ML增强的光谱求解器，从而提高了标准光谱求解器在相同分辨率下的准确性。我们还展示了一些关键设计原则，用于将机器学习和用于解决PDE的数值方法结合使用。

Machine learning-based modeling of physical systems has experienced increased interest in recent years. Despite some impressive progress, there is still a lack of benchmarks for Scientific ML that are easy to use but still challenging and representative of a wide range of problems. We introduce PDEBench, a benchmark suite of time-dependent simulation tasks based on Partial Differential Equations (PDEs). PDEBench comprises both code and data to benchmark the performance of novel machine learning models against both classical numerical simulations and machine learning baselines. Our proposed set of benchmark problems contribute the following unique features: (1) A much wider range of PDEs compared to existing benchmarks, ranging from relatively common examples to more realistic and difficult problems; (2) much larger ready-to-use datasets compared to prior work, comprising multiple simulation runs across a larger number of initial and boundary conditions and PDE parameters; (3) more extensible source codes with user-friendly APIs for data generation and baseline results with popular machine learning models (FNO, U-Net, PINN, Gradient-Based Inverse Method). PDEBench allows researchers to extend the benchmark freely for their own purposes using a standardized API and to compare the performance of new models to existing baseline methods. We also propose new evaluation metrics with the aim to provide a more holistic understanding of learning methods in the context of Scientific ML. With those metrics we identify tasks which are challenging for recent ML methods and propose these tasks as future challenges for the community. The code is available at https://github.com/pdebench/PDEBench.

Recent years have witnessed a growth in mathematics for deep learning--which seeks a deeper understanding of the concepts of deep learning with mathematics, and explores how to make it more robust--and deep learning for mathematics, where deep learning algorithms are used to solve problems in mathematics. The latter has popularised the field of scientific machine learning where deep learning is applied to problems in scientific computing. Specifically, more and more neural network architectures have been developed to solve specific classes of partial differential equations (PDEs). Such methods exploit properties that are inherent to PDEs and thus solve the PDEs better than classical feed-forward neural networks, recurrent neural networks, and convolutional neural networks. This has had a great impact in the area of mathematical modeling where parametric PDEs are widely used to model most natural and physical processes arising in science and engineering, In this work, we review such methods and extend them for parametric studies as well as for solving the related inverse problems. We equally proceed to show their relevance in some industrial applications.

通过Navier-Stokes方程的数值解决方案的计算流体动力学（CFD）仿真是从工程设计到气候建模的广泛应用中的重要工具。然而，CFD代码所需的计算成本和内存需求对于实际兴趣的流动可能变得非常高，例如在空气动力学形状优化中。该费用与流体流动控制方程的复杂性有关，其包括具有困难的解决方案的非线性部分衍生术语，导致长的计算时间和限制在迭代设计过程中可以测试的假设的数量。因此，我们提出了DeepCFD：基于卷积神经网络（CNN）的模型，其有效地近似于均匀稳态流动问题的解决方案。所提出的模型能够直接从使用最先进的CFD代码生成的地面真实数据的速度和压力场的完整解决方案的完整解决方案。使用DeepCFD，与标准CFD方法以低误差率的成本相比，我们发现高达3个数量级的加速。

数值模拟中信息丢失可能来自各种来源，同时求解离散的部分微分方程。特别地，与等效的64位模拟相比，使用低精确的16位浮点算术进行模拟时，与精度相关的错误可能会积累在关注量中。在这里，低精度计算所需的资源要比高精度计算要低得多。最近提出的几种机器学习（ML）技术已成功纠正空间离散化引起的错误。在这项工作中，我们扩展了这些技术，以改善使用低数值精度进行的计算流体动力学（CFD）模拟。我们首先量化了在Kolmogorov强制湍流测试案例中累积的精度相关误差。随后，我们采用了卷积神经网络以及执行16位算术的完全可区分的数值求解器，以学习紧密耦合的ML-CFD混合求解器。与16位求解器相比，我们证明了ML-CFD混合求解器在减少速度场中的误差积累并在较高频率下改善动能光谱的功效。

傅里叶神经运营商（FNO）是一种基于学习的方法，用于有效地模拟部分微分方程。我们提出了分解的傅立叶神经运营商（F-FNO），允许与更深的网络更好地推广。通过仔细组合傅里叶分解，跨所有层，Markov属性和残差连接的共享内核积分运算符，F-FNOS在Navier-Stokes基准数据集的最动力设置上达到六倍的误差。我们表明我们的模型保持了2％的错误率，同时仍然比数值求解器更快地运行幅度，即使问题设置扩展到包括诸如粘度和时变力的附加上下文，也是如此。这使得与相同的预制神经网络能够模拟巨大不同的条件。

泊松方程至关重要，以获得用于霍尔效应推进器和炉射线放电的等离子体流体模拟中的自我一致的解决方案，因为泊松解决方案看起来是不稳定的非线性流动方程的源期。作为第一步，使用多尺度架构研究了使用深神经网络的零小小的边界条件的求解2D泊松方程，以分支机构，深度和接收领域的数量定义。一个关键目标是更好地了解神经网络如何学习泊松解决方案，并提供指导方针来实现最佳网络配置，特别是当耦合到具有等离子体源术语的时变欧拉方程时。这里，发现接收领域对于正确捕获场的大拓扑结构至关重要。对多种架构，损失和封锁的调查提供了最佳的网络来准确解决稳定的泊松问题。然后在具有越来越多的节点的网格上监测称为Plasmanet的最佳神经网络求解器的性能，并与经典平行的线性溶剂进行比较。接下来，在电子等离子体振荡测试盒的上下文中，Plasmanet与不稳定的欧拉等离子体流体方程求解器联接。在这一时间不断发展的问题中，需要物理损失来产生稳定的模拟。最终测试了涉及化学和平流的更复杂的放电繁殖案例。应用了先前部分中建立的指导方针，以构建CNN，以解决具有不同边界条件的圆柱形坐标中的相同泊松方程。结果揭示了良好的CNN预测，并利用现代GPU的硬件铺平了新的计算策略，以预测涉及泊松方程的不稳定问题。