Learned Turbulence Modelling with Differentiable Fluid Solvers: Physics-based Loss-functions and Optimisation Horizons
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）
在本文中，我们训练基于卷积神经网络的湍流模型。这些学习的湍流模型改进了模拟时不可压缩纳维-斯托克斯方程的欠分辨低分辨率解。我们的研究涉及一个微分数值求解器，支持通过多个求解器步骤的优化梯度的传播的发展。这些模型在训练过程中展开更多的求解器步骤，其卓越的稳定性和准确性证明了此属性的重要性。此外，我们引入了基于湍流物理的损失项，进一步提高了模型的精度。这种方法被应用到三个二维湍流的情况下，均匀的衰减湍流的情况下，一个时间上不断变化的混合层，和一个空间上不断变化的混合层。与无模型模拟相比，我们的模型实现了长期后验统计的显着改进，而不需要将这些统计数据直接包含在学习目标中。在推理时，我们提出的方法也获得了实质性的性能改进类似的准确，纯数值方法。
2022-08-26 cs.LG physics.comp-ph physics.flu-dyn
Differentiable hybrid force fields support scalable autonomous electrolyte discovery
National University of Singapore（新加坡国立大学）；University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）
本文提出可微混合力场，通过融合物理驱动的功能形式与神经网络短程修正，解决自主电解质发现的三重困境，实现高效、准确且可校准的计算引擎。
2026-06-06 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Automatically Differentiable Model Updating (ADiMU): conventional, hybrid, and neural network material model discovery including history-dependency
School of Engineering, Brown University, 184 Hope St, Providence, RI 02912, USA（布朗大学工程学院）
本研究提出首个自动可微模型更新框架ADiMU，可从不同类型数据中发现含历史相关性的各类材料模型，无需额外超参数微调，依托全可微代码与向量化映射实现高效计算，已作为开源工具集成至HookeAI软件中。
2025-05-12 cs.LG cs.NA math.NA
JAX-LaB: A High-Performance, Differentiable, Lattice Boltzmann Library for Modeling Multiphase Fluid Dynamics in Geosciences and Engineering
Department of Earth and Environmental Engineering, Columbia University（哥伦比亚大学地球与环境工程系）
本文推出基于JAX的可微格子玻尔兹曼库JAX-LaB，面向多相流体建模，经基准验证性能优异，可支撑地球科学与工程领域相关仿真应用。
2025-11-15 cs.DC physics.comp-ph physics.flu-dyn
Neural Differentiable Modeling with Diffusion-Based Super-resolution for Two-Dimensional Spatiotemporal Turbulence
本文提出神经可微建模框架，将深度神经网络与数值PDE求解器在可微编程中结合，并用贝叶斯条件扩散模型从大尺度预测生成小尺度湍流，显著提升二维时空湍流模拟的精度与效率。
2024-06-28 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Hybrid molecular-continuum fluid dynamics
我们描述了致密流体混合原子/连续体模型的最新进展。本文讨论了非定常流中分子动力学描述的区域和纳维-斯托克斯方程描述的邻近区域之间的质量、动量和能量传递的一般实现。还研究了粒子系统的涨落对格式精度的影响。
2004-01-20 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A moving-grid approach for fluid-structure interaction problems with hybrid lattice Boltzmann method
本文提出了一种求解流固耦合问题的混合格子玻尔兹曼方法（HLBM）。所提出的数值方法被施加到模型的振动薄板浸没在粘性静止流体中引起的流动。流体作用在固体上的水动力由一个复杂的流体动力学函数来描述，其实部和虚部通过参数分析来确定。通过与文献中的其他数值和实验结果进行比较，验证了数值结果。所提出的混合方法增强了格子玻尔兹曼方法解决涉及移动几何的流体动力学问题的能力。
2020-06-24 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Learning Non-Ideal Vortex Flows Using the Differentiable Vortex Particle Method
Beihang University（北京航空航天大学）；City University of Hong Kong（香港城市大学）
本研究将可微涡粒子方法（DVPM）扩展到非理想涡流（粘性流和非保守体力），以Lamb-Oseen涡为基准，证明其精度优于CNN和PINN。
2025-10-08 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A hybrid moment method for multi-scale kinetic equations based on maximum entropy principle
我们在正则化矩方法的框架下提出了一种多尺度动力学方程的混合矩方法[7]。在该方法中，四阶矩系统被选为流体区域的控制方程。在从流态过渡到动力学态时，采用最大熵原理重构动力学分布函数，充分利用了流态区域的信息。此外，只需要一套统一的数值格式的流体和动力区域。数值试验表明，这种新的混合方法是高效的。
2020-04-07 physics.comp-ph
A Hybrid Lagrangian/Eulerian Collocated Advection and Projection Method for Fluid Simulation
提出了一种在同位速度网格上模拟不可压缩流体的粒子/网格混合方法。我们交替使用粒子和网格表示的运输量，以平衡效率和准确性。提出了一种新的后向半拉格朗日方法来提高基于网格的平流计算的精度。我们的方法利用了与Burgers方程的解相关的隐式公式。我们使用牛顿法通过$C^1$连续网格插值来求解该方程。我们在同位网格上强制不可压缩性，而不是交错网格。我们的投影技术是变分的，并设计用于B样条插值在规则的网格，其中多二次插值用于速度和多线性插值压力。尽管我们使用的是规则的网格，我们扩展的变分技术，允许Dirichlet和自由表面边界条件的不规则流域的切割单元定义。
2020-03-27 cs.CE cs.GR physics.comp-ph
A hybrid MPI-OpenMP scheme for scalable parallel pseudospectral computations for fluid turbulence
提出了一种利用MPI实现分布式存储并行和利用OpenMP实现共享存储并行的混合方案。这项工作的动机是希望实现非常高的雷诺数的拟谱计算的流体湍流新兴千万亿次，高核心数，大规模并行处理系统。混合实现源自并增强了经过良好测试的可扩展MPI并行化伪谱代码。混合范式导致一个新的图片的区域分解的伪谱网格，这是有帮助的理解，除其他事项外，3D转置的全球数据，这是必要的并行快速傅立叶变换的数值离散化的中心组成部分。混合实现的细节，并提供性能测试说明了该方法的实用性。结果表明，该混合方案实现了接近理想的可扩展性高达~20000计算核心的最大平均效率为83%。数据演示了如何选择MPI进程和OpenMP线程的最佳数量，以优化两个不同平台上的代码性能。
2010-03-23 physics.comp-ph
Hybrid Particle-Fluid Modeling of Plasmas
有许多有趣的物理过程涉及到大体积高密度等离子体的产生。然而，当对这些系统进行数值建模时，大的密度和体积提出了重大的计算挑战。一种用于对等离子体物理进行建模的技术，即单元中粒子（PIC）方法，是非常精确的，但是随着等离子体密度的增长，需要增加计算时间和数值分辨率。在本文中，我们提出了一种新的技术，用于减轻极端的计算负荷，等离子体密度的增长相结合，现有的PIC方法与介电流体的方法。通过在混合粒子-流体模型中使用这两种描述，我们现在可以探测大体积，高密度区域的物理。混合方法还提供了一个平滑的过渡，随着等离子体密度的增加和电离分数增长的值，很好地描述了单独的流体描述。我们提出的混合技术，并证明了一个简单的例子与分析解决方案的基准物理模型的有效性。
2004-02-09 physics.comp-ph physics.plasm-ph
A comparison of 3D particle, fluid and hybrid simulations for negative streamers
在放电流注头部的高场区，电子能量分布发展出一个长的拖尾。在负流光中，这些电子可以逃逸并有助于高能过程，如地球伽马射线和电子闪光。此外，电子密度波动可以加速流光分支。为了跟踪相关区域中单个电子的能量和位置，我们开发了一个3D混合模型，该模型将高场和低电子密度区域中的粒子模型与其余区域中的流体模型耦合。在这里，我们验证了我们的3D混合模型的3D（超）粒子模型的负流光在overvolted间隙，我们表明，它几乎达到了3D流体模型的计算效率。我们还表明，扩展的流体模型近似的粒子和混合模型，直到随机波动变得重要，而经典的流体模型低估了速度和电离密度。我们比较密度波动和发病的模型之间的分支，我们比较了前速度与分析近似。
2012-09-14 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Structure-preserving finite element approximations of a hybrid relativistic cold fluid-particle model
Faculty of Mathematics, Ruhr-University Bochum（鲁尔大学波鸿分校数学学院）
本文推导了保持质量、能量和散度约束的冷相对论流体模型混合有限元离散化及时间离散方法，并将其与相对论粒子耦合，数值验证了其收敛与守恒性质，成功应用于等离子体尾场模拟。
2025-10-13 cs.NA math.NA physics.comp-ph
A new hybrid code (CHIEF) implementing the inertial electron fluid equation without approximation
我们提出了一种新的混合算法实现的代码CHIEF（代码混合惯性电子流体）的电子离子等离子体的模拟。该算法处理的离子动力学，建模的粒子在细胞（PiC）的方法，和电子作为一个惯性流体，建模的电子流体方程，没有任何的近似使用在大多数其他混合代码与惯性电子流体。这种代码是适当的模拟各种各样的准中性等离子体现象的电子惯性和/或离子动力学效应是相关的。我们在这里提出的模型的控制方程，这些是如何离散化和实现数值，以及六个测试问题，以验证我们的数值方法。我们选择的测试问题，其中电子惯性和离子动力学效应起着重要作用，是：0）并行本征模的激励，以检查数值收敛性和稳定性，1）并行（对背景磁场）传播电磁波，2）垂直传播静电波（离子伯恩斯坦模式），3）离子束右手不稳定性（共振和非共振），4）离子朗道阻尼，5）离子水龙带不稳定性，和6）2D倾斜离子水龙带不稳定性。我们的结果成功地再现了所有这些问题的线性和非线性理论的预测，验证我们的代码。这种混合代码的所有属性，使其理想的研究之间的多尺度现象，如碰撞冲击，磁重联和动力学等离子体湍流的耗散范围以上的电子和离子尺度。
2018-02-26 physics.comp-ph physics.plasm-ph
A hybrid WENO method with modified ghost fluid method for compressible two-medium flow problems
在本文中，我们开发了一种简化的混合加权基本无振荡（WENO）方法，结合修改的幽灵流体方法（MGFM）[28]来模拟可压缩双介质流动问题。该方法通过对界面状态的预测来定义虚流体状态，将两种介质的流动问题转化为两种单介质的流动问题，从而使物质界面变得“不可见”。对于单一介质流情况，我们通过识别与混合WENO格式相同的重建多项式的极值点区域，自动适应线性迎风格式和WENO格式[50]。我们不需要计算它们的确切位置，只需要知道基于零点存在定理的极值点的区域，这是实现简单，节省计算时间。同时，该算法仍然保持了鲁棒性，具有较高的效率。对一维和二维两介质流动问题的数值计算结果表明了该方法的良好性能。
2020-09-01 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Frustration of nanoconfined liquid crystals due to hybrid substrate anchoring
我们提出了蒙特卡罗模拟的液晶材料限制在一个纳米级的狭缝孔。在等温条件下进行模拟，在一个专门的等应力合奏，其中N流体分子暴露于压缩应力作用在流体上的方向平行于基板平面。流体-流体和流体-基底相互作用的模型与我们以前的工作[M。Greschek等人，软物质，2010，DOI：10.1039/B 924417 D）。我们通过引入锚定函数（0<g（u）<1）来研究固体基底处的几种锚定机制，该锚定函数取决于流体分子相对于基底平面的取向; g（u）“切换”流体-基底吸引力的开启或关闭。在这里，我们专注于各种异构（即，混合）锚定方案在相对的衬底上施加不同的锚定功能。在我们以前的研究中，我们计算的等应力热容，使我们能够确定的状态，在该状态下的封闭流体进行结构转换。各向同性-非线性变换几乎与特定的锚定方案无关。这是因为在双相中的指向矢呈现的方向是在任一衬底处的竞争锚定方案所强制的方向之间的折衷。相反，在较低的压缩应力下，分子在特定方向上预排列，这取决于锚定方案的细节。
2010-04-29 cond-mat.soft physics.comp-ph
GPU parallelization of a hybrid pseudospectral fluid turbulence framework using CUDA
一个现有的混合MPI-OpenMP计划增加了基于CUDA的细粒度并行化方法的多维分布式傅立叶变换，在一个良好的特征伪谱流体湍流代码。混合计划的基础进行了审查，并提供了显示CUDA的实施的潜在好处。该方法大量利用CUDA运行时库来处理内存管理，并利用cuFFT库来计算本地FFT。其中的接口构造这些库的方式，以及用于促进平台的可移植性的ISO绑定，进行了讨论。CUDA流被实现为将数据传输与cuFFT计算重叠。使用基线求解器进行的测试表明，通过将负载卸载到基于NVLink的测试系统上的GPU，混合MPI-OpenMP求解器的总体速度显著提高。虽然批处理流方法对NVLink的好处不大，但我们看到，在基于PCIe的系统上针对最佳流数量进行调整时，性能提高了30%。据发现，强大的GPU缩放是理想的，或略好于理想，在所有情况下。除了加快基准求解器的测量，我们还考虑了其他几个求解器与不同数量的变换操作，并发现聚合速度几乎是恒定的所有求解器。
2018-08-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A fully implicit, conservative, non-linear, electromagnetic hybrid particle-ion/fluid-electron algorithm
准中性混合动力学离子和流体电子模型是一个很有前途的方法，在空间和实验室等离子体中的许多问题的固有的多尺度性质的桥梁。在这里，一个新的，隐式的，基于粒子的混合模型的计划，推导出多维电磁问题与多个离子物种，其功能的整体质量，动量和能量守恒。该方案包括子循环和轨道平均的离子，与细胞为中心的有限差分和隐式中点时间提前。为了减少离散粒子噪声，该计划允许任意阶形状函数的粒子网格插值和保守二项式平滑的应用。该算法被验证了一些测试问题，以证明实施的正确性，独特的守恒性质，以及良好的稳定性的新计划。特别是，有没有迹象表明的冷离子漂移通过一个统一的空间网格的人口的有限网格不稳定性的不稳定增长，在设置中，几个常用的非保守计划是高度不稳定的。
2018-03-19 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
MPMICE: A hybrid MPM-CFD model for simulating coupled problems in porous media. Application to earthquake-induced submarine landslides
在本文中，我们描述了一个土-流体-结构相互作用模型，结合土壤力学（饱和沉积物），流体力学（海水或空气），固体力学（结构）。该配方结合了材料点法，它模拟大变形的多孔介质和结构，与隐式连续流体欧拉，它模拟复杂的流体流动。对模型进行了验证，并对地震诱发海底滑坡的全过程进行了模拟。我们表明，该模型捕捉饱和沉积物，海水和结构之间的复杂的相互作用，所以我们可以使用该模型来估计潜在的海底滑坡对海上结构的影响。
2022-11-23 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Fluid flow around NACA 0012 airfoil at low-Reynolds numbers with hybrid lattice Boltzmann method
本文采用混合格子玻尔兹曼方法（HLBM）对美国国家航空咨询委员会（NACA）0012翼型的二维绕流进行了数值模拟。该研究的目的是评估的数值性能和计算方法的鲁棒性。为此，在提供了一个收敛性研究，以估计该方法的整体精度后，我们分析了在雷诺数等于$10^3$的迎角的不同值的数值解。随后，计算了零迎角布局雷诺数达到$10^4$时的流场。一个网格加密方案被应用到重叠网格系统的均匀间隔的组件，以进一步提高模型的数值效率。结果表明，HLBM的能力，以实现高精度附近的固体弯曲壁，从而提供了一个可行的替代领域的非格子玻尔兹曼方法的基础上贴体网格。
2020-06-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A hybrid quantum-classical framework for computational fluid dynamics
本文提出一种经典CFD求解器与量子线性代数库弱耦合的混合计算框架，以实现高精度、可扩展且可无缝集成的量子加速线性系统求解，并通过典型算例验证了其可行性与正确性。
2024-06-24 physics.comp-ph quant-ph
A hybrid particle volume-of-fluid method for curvature estimation in multiphase flows
本文提出了一种用于多相流流体体积模拟中界面曲率估计的粒子方法。该方法是非常适合于解决接口，它被证明是更准确的比抛物线拟合，在这种情况下。曲率是从被约束到圆弧并被吸引到界面的粒子的平衡位置计算的。建议的粒子方法相结合的高度函数的方法在更高的分辨率，它被证明优于目前的高度函数和抛物线拟合的组合。该算法在概念上是简单和直接的实现新的和现有的软件框架多相流模拟，从而提高了他们的能力，在具有挑战性的流动问题。我们评估了一些二维和三维的基准流问题上提出的混合方法，并说明其模拟涉及气泡聚结和湍流多相流的流动的能力。
2020-01-22 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Unsteady Cylinder Wakes from Arbitrary Bodies with Differentiable Physics-Assisted Neural Network
本研究提出结合可微流动求解器与神经网络的DPNN混合框架，用于重构任意圆柱的非定常尾流，在长时间范围保留边界层与尾流特性，性能优于监督学习，可复现尾流规律并预测混沌转变。
2023-11-05 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A hybrid variational Allen-Cahn/ALE scheme for the coupled analysis of two-phase fluid-structure interaction
本文提出了一种新的两相流流固耦合模型的分区迭代法。变分公式由三个微分方程组的稳定和鲁棒积分组成，即，不可压缩粘性流体、刚性或柔性结构和两相指示器场。在任意拉格朗日-欧拉坐标系下，通过求解守恒相场Allen-Cahn方程，得到了具有高密度和高粘度比的两相流体-流体界面。纳维-斯托克斯方程采用稳定的Petrov-Galerkin方法求解，守恒的Allen-Chan相场方程采用保正变分方法离散。两相流体和结构的完全解耦隐式求解器通过非线性迭代力校正以交错分区的方式集成。我们评估的准确性和稳定性的新的相场/ALE变分制定的二维和三维的问题，涉及的动态相互作用的刚体与自由表面。我们认为衰减试验问题的日益复杂，即自由平移垂荡衰减的圆柱和自由旋转的矩形驳船。通过数值实验，我们表明，所提出的配方是稳定的和强大的流体-流体界面上的高密度比和低的结构与流体的质量比，具有较强的附加质量效应。使用三维非结构网格，我们证明了耦合相场/ALE方法的二阶时间精度。最后，我们证明了三维相场FSI制定的一个实际问题的内部两相流在一个柔性的圆形管道受到涡激振动，由于外部流体流动。
2018-03-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A conservative implicit-PIC scheme for the hybrid kinetic-ion fluid-electron plasma model on curvilinear meshes
混合动力学-离子流体-电子等离子体模型被广泛应用于空间和实验室等离子体物理中具有挑战性的多尺度问题的研究。在这里，一个新的保守的计划，这个模型采用隐式粒子在细胞技术扩展到任意坐标系通过曲线映射从逻辑到物理空间。该方案的特点是一个完全非线性的电磁制剂与多速率的时间提前-包括子循环和轨道平均的动力学离子。通过在曲线坐标系中仔细选择相容的基于粒子的动力学离子和基于网格的流体电子离散，以及粒子网格插值和隐式中点时间推进，该方案被证明可以保持任意曲线网格的总能量。在静电极限下，该方法也被证明是守恒的总动量为任意曲线网格。虽然在电磁场的情况下，任意曲线网格的动量不守恒，但它是笛卡尔张量填充网格的一个重要子集。该方案及其新颖的守恒性质证明了几个具有挑战性的数值问题，使用不同的曲线网格，包括合并磁通绳模拟空间天气的应用，和螺旋$m=1$模式模拟磁聚变能的应用。
2021-10-08 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Hybrid atomistic-continuum methods for multiscale hydrodynamics
我们讨论混合原子连续方法的多尺度流体力学应用。稠密流体和稀气体配方被认为是。讨论了耦合方法的选择及其与流体物理的关系。混合方法的差异，导致潜在的可压缩和不可压缩的连续制剂，以及时间尺度解耦的重要性突出。我们还讨论了最近发展的可压缩和不可压缩混合方法的稀气体。不可压缩的框架是基于Schwarz交替方法，而可压缩的方法是一种多物种，完全自适应网格和算法细化的方法，它引入了直接模拟蒙特卡罗在最精细的网格细化。
2003-10-26 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Hybrid Fourier Neural Operator-Plasma Fluid Model for Fast and Accurate Multiscale Simulations of High Power Microwave Breakdown
Group in Computational Science and HPC（计算科学与高性能计算组）；DA-IICT；Dhirubhai Ambani University（迪鲁布希阿尼大学）；Smart Energy Learning Center（智能能源学习中心）；DAU
针对高功率微波击穿多尺度仿真计算成本高的问题，提出融合傅里叶神经算子电磁求解器与等离子体流体求解器的混合模型，实现约60倍加速且精度优异，还提供了多语言仿真工具整合的可行路径。
2025-09-06 cs.AI cs.LG physics.comp-ph
Fluid Solver Independent Hybrid Methods for Multiscale Kinetic equations
University of Ferrara（费拉拉大学）
提出一种与流体求解器无关的混合方法，通过耦合蒙特卡罗动力学方法与宏观流体方法，高效求解多尺度动力学问题，并减少数值波动。
2009-08-04 cs.NA math-ph math.MP
A cancellation problem in hybrid particle-in-cell schemes due to finite particle size
准中性混合粒子网格算法是研究实验室、空间和天体物理等离子体多尺度问题的一种常用模型。在这里，它示出，作为一个基于网格的流体的离子作为有限尺寸的颗粒和电子的治疗可能会导致显着的数值波色散误差的磁流体动力学极限（$kd_i \ll 1$，其中$d_i$是离子趋肤深度）。建议对网格间距$Δx/d_i$提出实际要求，以限制上述误差。
2019-12-10 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
