Identification of control equations using low-dimensional flow representations of pitching airfoil

等距映射 非线性系统 翼型 主成分分析 稳健性(进化) 降维 非线性降维 物理 人工智能 算法 模式识别(心理学) 计算机科学 机械 量子力学 基因 生物化学 化学
作者
Zihao Wang,Guiyong Zhang,Bo Zhou,Tiezhi Sun,Jinxin Wu
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (4)
标识
DOI:10.1063/5.0205170
摘要

This study investigates the application of data-driven modeling techniques for understanding the complex dynamics of pitching airfoils at low Reynolds numbers and high angles of attack. Linear and nonlinear dimensionality reduction methods, namely principal component analysis (PCA) and isometric mapping (ISOMAP), are employed to obtain low-dimensional representations of the flow field. Subsequently, sparse identification of nonlinear dynamics (SINDy) is utilized to model the governing equations. The key findings are as follows: PCA primarily captures linear information, with the first two to three dimensions maintaining relatively low reconstruction errors. In contrast, ISOMAP excels in capturing nonlinear features, exhibiting noticeably smaller reconstruction errors. The main information is concentrated in the two-dimensional plane constructed by PCA1 and PCA2 (or ISOMAP1 and ISOMAP2). Differences in trajectory planes formed by combinations of other axes reflect flow field disparities. ISOMAP provides a nonlinear low-dimensional representation, advantageous for capturing nonlinear relationships between flow field characteristics and governing equations. The combination of ISOMAP and SINDy yields virtually no errors in identifying governing equations. Conversely, PCA and SINDy result in significantly different linear trajectories, leading to higher reconstruction errors. The identified governing equations using ISOMAP and SINDy remain consistent across different datasets, demonstrating the method's stability and robustness in accurately characterizing flow field properties under similar conditions.
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