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Deep learning for surrogate modelling of 2D mantle convection

Agarwal, Siddhant und Tosi, Nicola und Kessel, P und Breuer, Doris und Montavon, Grégoire (2021) Deep learning for surrogate modelling of 2D mantle convection. German-Swiss Geodynamics Workshop 2021, 2021-08-29 - 2021-09-01, Bad Belzig, Deutschland.

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Kurzfassung

The key parameters to mantle convection simulations are poorly constrained. Whereas the outputs can sometimes be observed directly or indirectly using geophysical and geochemical data obtained via planetary space missions. Hence, the “observables” can be used to constrain parameters governing mantle convection. Given the computational cost of running each forward model in 2D or 3D (on the scale of hours to days), it is often impractical to run several thousands of simulations to determine which parameters can satisfy a set of given observational constraints. Traditionally, scaling laws have been used as a low-fidelity alternative to overcome this computational bottleneck. However, they are limited in the amount of physics they can capture and only predict mean quantities such as surface heat flux and mantle temperature instead of spatio-temporally resolved flows. Using a dataset of 10,000 2D mantle convection simulations for a Mars-like planet, we show that deep learning can be used to reliably predict the entire 2D temperature field at any point in the evolution. We first use convolutional autoencoders to compress each temperature field by a factor of 140 to a latent space representation, which is easier to predict. We test feedforward neural networks (FNN) to predict the compressed temperature fields from five input parameters plus time. While the mean accuracy of the predicted temperature fields was high (99.30%), FNN was unable to capture the sharper downwelling structures and their advection. To address this, we use long short-term memory networks (LSTM), which have recently been shown to work in a variety of fluid dynamics problems. In comparison to the FNN, LSTM achieved a slightly lower mean relative accuracy, but captured the spatio-temporal dynamics more accurately.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/146295/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Deep learning for surrogate modelling of 2D mantle convection
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Agarwal, SiddhantSiddhant.Agarwal (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-0840-2114NICHT SPEZIFIZIERT
Tosi, Nicolanicola.tosi (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-4912-2848NICHT SPEZIFIZIERT
Kessel, PTechnical University BerlinNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Breuer, DorisDoris.Breuer (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-9019-5304NICHT SPEZIFIZIERT
Montavon, GrégoireInstitut für Softwaretechnik und Theoretische Informatik, Technische Universität BerlinNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:August 2021
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Mantle Convection, Machine Learning, Fluid Dynamics, Surrogate Modelling, Neural Networks
Veranstaltungstitel:German-Swiss Geodynamics Workshop 2021
Veranstaltungsort:Bad Belzig, Deutschland
Veranstaltungsart:Workshop
Veranstaltungsbeginn:29 August 2021
Veranstaltungsende:1 September 2021
Veranstalter :Deutsche Geophysikalische Gesellschaft
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Erforschung des Weltraums
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R EW - Erforschung des Weltraums
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Exploration des Sonnensystems
Standort: Berlin-Adlershof
Institute & Einrichtungen:Institut für Planetenforschung > Planetenphysik
Hinterlegt von: Agarwal, Siddhant
Hinterlegt am:26 Nov 2021 13:03
Letzte Änderung:24 Apr 2024 20:45

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