Reduced-Order and Low-Rank Methods for Parameter-Dependent Partial Differential Equations

参数相关偏微分方程的降阶和低秩方法

基本信息

  • 批准号:
    1819115
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 20万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-08-01 至 2022-01-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The goal of this study is to develop new computer algorithms to be used to simulate engineering models and physical phenomena, with the aim of predicting behavior of systems in the physical world. Examples of the use of these techniques include modeling of the flow of pollutants in groundwater, assessing the stability of structures such as airplane wings in the face of stresses such as high temperatures or pressures, and simulating the effects of magnetic fields on performance of semiconductors or reactions in nuclear fusion. Such algorithms help engineers and scientists to make good decisions about construction and use of new technology, but they are only practically useful if demonstrated to be efficient (that is, use modest amounts of computer time and memory) and accurate. The aim of this work is to advance the development of efficient algorithms of this type and to demonstrate their utility for models of transient phenomena such as fluid flows and stability of physical structures.The technical goals of the project are to study solution algorithms for parameter-dependent partial differential equations by constructing approximate solutions of low-rank structure. Parameterized problems of this type arise when underlying terms figuring in the differential operators of the system depend on a set of unknown or random parameters. Examples include unknown permeabilities in models of diffusion or velocity fields that are affected by temperatures. In this scenario, the solutions sought also depend on parameters, but they can often be approximated well in a space of low dimension, i.e., solutions for all parameter values can be represented as a linear combination of a small finite set of functions. Such a reduced representation offers the prospect of significant reduction of costs required to compute solutions. The project will explore the utility this approach for two types of problems: (i) dynamical systems, for which the dependence on time requires new methods to develop reduced-order models that are accurate over long time periods, and (ii) eigenvalue problems, with emphasis on techniques for stability analysis of dynamical systems.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
本研究的目标是开发新的计算机算法,用于模拟工程模型和物理现象,以预测物理世界中系统的行为。 使用这些技术的例子包括对地下水中污染物的流动进行建模,评估飞机机翼等结构在高温或高压等应力下的稳定性,以及模拟磁场对半导体或半导体性能的影响。核聚变反应。 此类算法可以帮助工程师和科学家就新技术的构建和使用做出正确的决策,但只有在被证明高效(即使用适量的计算机时间和内存)和准确的情况下,它们才具有实际用途。 这项工作的目的是促进此类高效算法的开发,并展示其在流体流动和物理结构稳定性等瞬态现象模型中的实用性。该项目的技术目标是研究参数求解算法通过构造低阶结构的近似解来建立相关偏微分方程。 当系统微分算子中的基本项依赖于一组未知或随机参数时,就会出现这种类型的参数化问题。 示例包括受温度影响的扩散或速度场模型中的未知渗透率。 在这种情况下,所寻求的解也取决于参数,但它们通常可以在低维空间中很好地近似,即所有参数值的解可以表示为小型有限函数集的线性组合。 这种减少的表示形式有望显着降低计算解决方案所需的成本。 该项目将探索这种方法对两类问题的实用性:(i) 动力系统,其对时间的依赖性需要新方法来开发长期准确的降阶模型,以及 (ii) 特征值问题,重点是动力系统稳定性分析技术。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力优点和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
On surrogate learning for linear stability assessment of Navier-Stokes equations with stochastic viscosity [english]
具有随机粘度的纳维-斯托克斯方程线性稳定性评估的代理学习 [english]
  • DOI:
    10.21136/am.2022.0046-21
  • 发表时间:
    2022-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0.7
  • 作者:
    Sousedík, Bedřich;Elman, Howard C.;Lee, Kookjin;Price, Randy
  • 通讯作者:
    Price, Randy
Enhanced alternating energy minimization methods for stochastic galerkin matrix equations
随机伽辽金矩阵方程的增强交变能量最小化方法
  • DOI:
    10.1007/s10543-021-00903-x
  • 发表时间:
    2022-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.5
  • 作者:
    Lee, Kookjin;Elman, Howard C.;Powell, Catherine E.;Lee, Dongeun
  • 通讯作者:
    Lee, Dongeun
Surrogate approximation of the Grad–Shafranov free boundary problem via stochastic collocation on sparse grids
通过稀疏网格上的随机配置对 Grad-Shafranov 自由边界问题进行代理逼近
  • DOI:
    10.1016/j.jcp.2021.110699
  • 发表时间:
    2022-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Elman, Howard C.;Liang, Jiaxing;Sánchez
  • 通讯作者:
    Sánchez
A low-rank solver for the stochastic unsteady Navier–Stokes problem
随机不稳定纳维斯托克斯问题的低阶求解器
A Low-Rank Solver for the Navier--Stokes Equations with Uncertain Viscosity
纳维低阶求解器--具有不确定粘度的斯托克斯方程
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