Toward a robust detection of viscous and turbulent flow regions using unsupervised machine learning

物理 湍流 无粘流 层流 聚类分析 经典力学 机械 算法 数学分析 人工智能 计算机科学 数学
作者
Kheir-eddine Otmani,Gerasimos Ntoukas,Oscar Mariño,Esteban Ferrer
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:35 (2) 被引量:10
标识
DOI:10.1063/5.0138626
摘要

We propose an invariant feature space for the detection of viscous dominated and turbulent regions (i.e., boundary layers and wakes). The developed methodology uses the principal invariants of the strain and rotational rate tensors as input to an unsupervised Machine Learning Gaussian mixture model. The selected feature space is independent of the coordinate frame used to generate the processed data, as it relies on the principal invariants of strain and rotational rate, which are Galilean invariants. This methodology allows us to identify two distinct flow regions: a viscous dominated, rotational region (boundary layer and wake region) and an inviscid, irrotational region (outer flow region). We test the methodology on a laminar and a turbulent (using Large Eddy Simulation) case for flows past a circular cylinder at $Re=40$ and $Re=3900$. The simulations have been conducted using a high-order nodal Discontinuous Galerkin Spectral Element Method (DGSEM). The results obtained are analysed to show that Gaussian mixture clustering provides an effective identification method of viscous dominated and rotational regions in the flow. We also include comparisons with traditional sensors to show that the proposed clustering does not depend on the selection of an arbitrary threshold, as required when using traditional sensors.

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