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Preconditioned FEM-based Neural Networks for Solving Incompressible Fluid Flows and Related Inverse Problems

von der Lehr, Fabrice und Griese, Franziska und Rauthmann, Katharina und Knechtges, Philipp (2025) Preconditioned FEM-based Neural Networks for Solving Incompressible Fluid Flows and Related Inverse Problems. WAW Machine Learning 11, 2025-10-28 - 2025-10-30, Oberpfaffenhofen. (nicht veröffentlicht)

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Kurzfassung

As the repeated simulation and optimization of technical systems described by parametric partial differential equations (PDEs) is expensive, we combine neural networks, being known for their good approximation properties, with the classic finite element method (FEM) to obtain a cheap-to-evaluate surrogate model. However, in case of the saddle-point problems arising from the Stokes and Navier-Stokes flows considered in this work, the FEM residual used to train the neural network is highly ill-conditioned and optimizing the model parameters becomes hard. By analogy to the linear case, we propose preconditioning of the loss function and observe improved model accuracy with significantly less training effort, despite the nonlinearity introduced by the neural network. After training, we show the successful application of the FENN to a related inverse problem at moderate Reynolds numbers. Unfortunately, the used preconditioner becomes ineffective at higher Reynolds numbers. We identify the reasons for that, point out the properties a preconditioner should have to be optimal in our setting, and eventually state why it is hard to find such a preconditioner.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/218640/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Preconditioned FEM-based Neural Networks for Solving Incompressible Fluid Flows and Related Inverse Problems
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
von der Lehr, FabriceFabrice.Lehr (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0000-2134-6754NICHT SPEZIFIZIERT
Griese, FranziskaFranziska.Griese (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-4116-2316NICHT SPEZIFIZIERT
Rauthmann, Katharinakatharina.rauthmann (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0002-9962-4819NICHT SPEZIFIZIERT
Knechtges, PhilippPhilipp.Knechtges (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-4849-0593NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2025
Referierte Publikation:Nein
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Nein
Status:nicht veröffentlicht
Stichwörter:Physics-informed ML, Finite elements, FEM-based neural network, preconditioning, parametric PDEs, Stokes, Navier-Stokes
Veranstaltungstitel:WAW Machine Learning 11
Veranstaltungsort:Oberpfaffenhofen
Veranstaltungsart:Workshop
Veranstaltungsbeginn:28 Oktober 2025
Veranstaltungsende:30 Oktober 2025
Veranstalter :DLR
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R SY - Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Synergieprojekt | TIARA | Trustworthy Physics-informed AI for Aerospace and Transportation
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Softwaretechnologie
Hinterlegt von: von der Lehr, Fabrice
Hinterlegt am:24 Nov 2025 10:30
Letzte Änderung:24 Nov 2025 10:30

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