python PINN求解一维Sod的预测解并给出精确解以及代码

时间: 2023-12-20 11:23:55 浏览: 39
Sod问题是一个经典的气体动力学问题,它描述了一个强激波穿过气体的过程。在这里,我们将使用物理信息神经网络(PINN)来预测一维Sod问题的解,并将其与精确解进行比较。 首先,定义问题的初始和边界条件: $$\begin{aligned} \rho(x,0) &= \begin{cases} 1 & x<0.5 \\ 0.125 & x\geq 0.5 \end{cases} \\ u(x,0) &= 0 \\ p(x,0) &= \begin{cases} 1 & x<0.5 \\ 0.1 & x\geq 0.5 \end{cases} \\ \rho(0,t) &= 1 \\ u(0,t) &= 0 \\ p(0,t) &= 1 \\ \rho(1,t) &= 0.125 \\ u(1,t) &= 0 \\ p(1,t) &= 0.1 \end{aligned} $$ 接下来,我们将使用PINN来求解这个问题。首先,我们需要导入必要的库: ```python import tensorflow as tf import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt ``` 然后,我们定义网络的结构和损失函数: ```python class SodPINN(tf.keras.Model): def __init__(self): super(SodPINN, self).__init__() self.dense1 = tf.keras.layers.Dense(50, activation=tf.nn.tanh, input_shape=(1,)) self.dense2 = tf.keras.layers.Dense(50, activation=tf.nn.tanh) self.dense3 = tf.keras.layers.Dense(50, activation=tf.nn.tanh) self.dense4 = tf.keras.layers.Dense(50, activation=tf.nn.tanh) self.dense5 = tf.keras.layers.Dense(50, activation=tf.nn.tanh) self.dense6 = tf.keras.layers.Dense(50, activation=tf.nn.tanh) self.dense7 = tf.keras.layers.Dense(3) def call(self, inputs): x = inputs x = self.dense1(x) x = self.dense2(x) x = self.dense3(x) x = self.dense4(x) x = self.dense5(x) x = self.dense6(x) return self.dense7(x) def pinn_loss(model, x, rho, u, p, gamma): with tf.GradientTape(persistent=True) as g: g.watch(x) # Forward pass inputs = tf.concat([x, rho, u, p], axis=1) pred = model(inputs) # Extracting predictions rho_pred = pred[:, 0:1] u_pred = pred[:, 1:2] p_pred = pred[:, 2:3] # Computing gradients drho_dx = g.gradient(rho_pred, x) du_dx = g.gradient(u_pred, x) dp_dx = g.gradient(p_pred, x) # Computing residual terms rho_res = drho_dx + rho_pred * (u_pred - u_pred[:, 0:1]) / (x - x[:, 0:1]) u_res = du_dx + (p_pred - p_pred[:, 0:1]) / (rho_pred * (x - x[:, 0:1])) - (gamma - 1) / gamma * (u_pred - u_pred[:, 0:1]) * (dp_dx / p_pred) p_res = dp_dx + gamma * p_pred * (u_pred - u_pred[:, 0:1]) / (x - x[:, 0:1]) # Computing loss loss = tf.reduce_mean(tf.square(rho_res) + tf.square(u_res) + tf.square(p_res)) return loss ``` 接下来,我们将定义一些必要的变量,并初始化模型: ```python # Defining constants gamma = 1.4 N = 10000 x = np.linspace(0, 1, N)[:, None] rho = np.zeros((N, 1)) u = np.zeros((N, 1)) p = np.zeros((N, 1)) for i in range(N): if x[i] < 0.5: rho[i] = 1 u[i] = 0 p[i] = 1 else: rho[i] = 0.125 u[i] = 0 p[i] = 0.1 # Initializing model model = SodPINN() optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-3) ``` 然后,我们将训练模型: ```python # Training model for epoch in range(10000): with tf.GradientTape() as tape: loss = pinn_loss(model, x, rho, u, p, gamma) grads = tape.gradient(loss, model.trainable_variables) optimizer.apply_gradients(zip(grads, model.trainable_variables)) if epoch % 1000 == 0: print("Epoch: {}, Loss: {}".format(epoch, loss.numpy())) ``` 最后,我们将绘制预测解和精确解的比较图: ```python # Computing predictions inputs = tf.concat([x, rho, u, p], axis=1) pred = model(inputs) rho_pred = pred[:, 0:1].numpy() u_pred = pred[:, 1:2].numpy() p_pred = pred[:, 2:3].numpy() # Computing exact solution rho_exact = np.zeros((N, 1)) u_exact = np.zeros((N, 1)) p_exact = np.zeros((N, 1)) for i in range(N): if x[i] < 0.5: rho_exact[i] = 1 u_exact[i] = 0 p_exact[i] = 1 else: rho_exact[i] = 0.125 u_exact[i] = 0 p_exact[i] = 0.1 # Plotting results plt.figure(1) plt.plot(x, rho_pred, 'r-', label='PINN') plt.plot(x, rho_exact, 'k--', label='Exact') plt.xlabel('x') plt.ylabel('Density') plt.legend() plt.figure(2) plt.plot(x, u_pred, 'r-', label='PINN') plt.plot(x, u_exact, 'k--', label='Exact') plt.xlabel('x') plt.ylabel('Velocity') plt.legend() plt.figure(3) plt.plot(x, p_pred, 'r-', label='PINN') plt.plot(x, p_exact, 'k--', label='Exact') plt.xlabel('x') plt.ylabel('Pressure') plt.legend() plt.show() ``` 完整代码如下:

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