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Data Assimilation and Parameter Identification for Water Waves Using the Nonlinear Schrödinger Equation and Physics-Informed Neural Networks

Ehlers, Svenja und Wagner, Niklas und Scherz, Annamaria und Klein, Marco und Hoffmann, Norbert und Stender, Merten (2024) Data Assimilation and Parameter Identification for Water Waves Using the Nonlinear Schrödinger Equation and Physics-Informed Neural Networks. Fluids, 9 (10). Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI). doi: 10.3390/fluids9100231. ISSN 2311-5521.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
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Offizielle URL: https://www.mdpi.com/2311-5521/9/10/231

Kurzfassung

The measurement of deep water gravity wave elevations using in situ devices, such as wave gauges, typically yields spatially sparse data due to the deployment of a limited number of costly devices. This sparsity complicates the reconstruction of the spatio-temporal extent of surface elevation and presents an ill-posed data assimilation problem, which is challenging to solve with conventional numerical techniques. To address this issue, we propose the application of a physics-informed neural network (PINN) to reconstruct physically consistent wave fields between two elevation time series measured at distinct locations within a numerical wave tank. Our method ensures this physical consistency by integrating residuals of the hydrodynamic nonlinear Schrödinger equation (NLSE) into the PINN’s loss function. We first showcase a data assimilation task by employing constant NLSE coefficients predetermined from spectral wave properties. However, due to the relatively short duration of these measurements and their possible deviation from the narrow-band assumptions inherent in the NLSE, using constant coefficients occasionally leads to poor reconstructions. To enhance this reconstruction quality, we introduce the base variables of frequency and wavenumber, from which the NLSE coefficients are determined, as additional neural network parameters that are fine tuned during PINN training. Overall, the results demonstrate the potential for real-world applications of the PINN method and represent a step toward improving the initialization of deterministic wave prediction methods.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/207079/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Data Assimilation and Parameter Identification for Water Waves Using the Nonlinear Schrödinger Equation and Physics-Informed Neural Networks
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Ehlers, SvenjaTechnische Universität HamburgNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wagner, NiklasTU DortmundNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Scherz, AnnamariaTU MünchenNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Klein, Marcomarco.klein (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2867-7534169037797
Hoffmann, Norbertnorbert.hoffmann (at) tuhh.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Stender, Mertenmerten.stender (at) tu-berlin.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:1 Oktober 2024
Erschienen in:Fluids
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:9
DOI:10.3390/fluids9100231
Verlag:Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI)
Name der Reihe:Special Issue Machine Learning and Artificial Intelligence in Fluid Mechanics
ISSN:2311-5521
Status:veröffentlicht
Stichwörter:physics-informed neural network; hydrodynamic nonlinear Schrödinger equation; data assimilation; parameter identification; inverse problem; wave surface reconstruction
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Energiesystemdesign
HGF - Programmthema:Digitalisierung und Systemtechnologie
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SY - Energiesystemtechnologie und -analyse
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Energiesystemtechnologie
Standort: Geesthacht
Institute & Einrichtungen:Institut für Maritime Energiesysteme > Schiffsperformance
Hinterlegt von: Klein, Marco
Hinterlegt am:07 Okt 2024 08:51
Letzte Änderung:10 Okt 2024 15:10

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