Dynamic mode decomposition in adaptive mesh refinement and coarsening simulations
- 1. Universidade Federal do Rio de Janeiro
- 2. Gran Sasso Science Institute
- 3. University of Pavia
Description
Abstract Dynamic mode decomposition (DMD) is a powerful data-driven method used to extract spatio-temporal coherent structures that dictate a given dynamical system. The method consists of stacking collected temporal snapshots into a matrix and mapping the nonlinear dynamics using a linear operator. The classical procedure considers that snapshots possess the same dimensionality for all the observable data. However, this often does not occur in numerical simulations with adaptive mesh refinement/coarsening schemes (AMR/C). This paper proposes a strategy to enable DMD to extract features from observations with different mesh topologies and dimensions, such as those found in AMR/C simulations. For this purpose, the adaptive snapshots are projected onto the same reference function space, enabling the use of snapshot-based methods such as DMD. The present strategy is applied to challenging AMR/C simulations: a continuous diffusion–reaction epidemiological model for COVID-19, a density-driven gravity current simulation, and a bubble rising problem. We also evaluate the DMD efficiency to reconstruct the dynamics and some relevant quantities of interest. In particular, for the SEIRD model and the bubble rising problem, we evaluate DMD's ability to extrapolate in time (short-time future estimates).
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تحلل الوضع الديناميكي المجرد (DMD) هو طريقة قوية تعتمد على البيانات تستخدم لاستخراج الهياكل المتماسكة المكانية والزمانية التي تملي نظامًا ديناميكيًا معينًا. تتكون الطريقة من تكديس اللقطات الزمنية المجمعة في مصفوفة ورسم خرائط للديناميكيات غير الخطية باستخدام عامل خطي. يعتبر الإجراء الكلاسيكي أن اللقطات لها نفس الأبعاد لجميع البيانات التي يمكن ملاحظتها. ومع ذلك، لا يحدث هذا غالبًا في عمليات المحاكاة العددية مع مخططات تحسين/تقسية الشبكة التكيفية (AMR/C). تقترح هذه الورقة استراتيجية لتمكين DMD من استخراج الميزات من الملاحظات ذات الطوبولوجيا والأبعاد الشبكية المختلفة، مثل تلك الموجودة في محاكاة AMR/C. لهذا الغرض، يتم عرض اللقطات التكيفية على نفس مساحة الوظيفة المرجعية، مما يتيح استخدام الطرق القائمة على اللقطات مثل DMD. يتم تطبيق الاستراتيجية الحالية لتحدي محاكاة AMR/C: نموذج وبائي مستمر للانتشار والتفاعل لـ COVID -19، ومحاكاة تيار الجاذبية المدفوعة بالكثافة، ومشكلة ارتفاع الفقاعة. نقوم أيضًا بتقييم كفاءة DMD لإعادة بناء الديناميكيات وبعض الكميات ذات الصلة من الاهتمام. على وجه الخصوص، بالنسبة لنموذج SEIRD ومشكلة ارتفاع الفقاعة، نقوم بتقييم قدرة DMD على الاستقراء في الوقت المناسب (التقديرات المستقبلية قصيرة الأجل).Translated Description (French)
La décomposition en mode dynamique abstraite (DMD) est une méthode puissante basée sur les données utilisée pour extraire des structures cohérentes spatio-temporelles qui dictent un système dynamique donné. La méthode consiste à empiler des instantanés temporels collectés dans une matrice et à cartographier la dynamique non linéaire à l'aide d'un opérateur linéaire. La procédure classique considère que les instantanés possèdent la même dimensionnalité pour toutes les données observables. Cependant, cela ne se produit souvent pas dans les simulations numériques avec des schémas adaptatifs de raffinement/grossissement des mailles (AMR/C). Cet article propose une stratégie pour permettre à DMD d'extraire des caractéristiques d'observations avec différentes topologies et dimensions de maillage, telles que celles trouvées dans les simulations AMR/C. À cette fin, les instantanés adaptatifs sont projetés sur le même espace de fonction de référence, ce qui permet l'utilisation de méthodes basées sur les instantanés telles que DMD. La présente stratégie est appliquée à des simulations de RAM/C difficiles : un modèle épidémiologique de réaction de diffusion continue pour la COVID-19, une simulation de courant de gravité liée à la densité et un problème de bulle croissante. Nous évaluons également l'efficacité de la DMD pour reconstruire la dynamique et certaines quantités pertinentes d'intérêt. En particulier, pour le modèle SEIRD et le problème de la remontée des bulles, nous évaluons la capacité de DMD à extrapoler dans le temps (estimations futures à court terme).Translated Description (Spanish)
La descomposición en modo dinámico (DMD) es un potente método basado en datos que se utiliza para extraer estructuras coherentes espacio-temporales que dictan un sistema dinámico dado. El método consiste en apilar instantáneas temporales recopiladas en una matriz y mapear la dinámica no lineal utilizando un operador lineal. El procedimiento clásico considera que las instantáneas poseen la misma dimensionalidad para todos los datos observables. Sin embargo, esto a menudo no ocurre en simulaciones numéricas con esquemas de refinamiento/engrosamiento de malla adaptativa (AMR/C). Este documento propone una estrategia para permitir que DMD extraiga características de observaciones con diferentes topologías y dimensiones de malla, como las que se encuentran en las simulaciones AMR/C. Para este propósito, las instantáneas adaptativas se proyectan en el mismo espacio de funciones de referencia, lo que permite el uso de métodos basados en instantáneas como DMD. La presente estrategia se aplica a simulaciones desafiantes de AMR/C: un modelo epidemiológico de difusión-reacción continua para COVID-19, una simulación de corriente de gravedad impulsada por la densidad y un problema de aumento de burbujas. También evaluamos la eficiencia de DMD para reconstruir la dinámica y algunas cantidades relevantes de interés. En particular, para el modelo SEIRD y el problema del aumento de la burbuja, evaluamos la capacidad de DMD para extrapolar en el tiempo (estimaciones futuras a corto plazo).Files
s00366-021-01485-6.pdf.pdf
Files
(9.7 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:9fef7fabecdfc50dc653934ea5f17fe9
|
9.7 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحلل الوضع الديناميكي في تحسين الشبكة التكيفية والمحاكاة الخشنة
- Translated title (French)
- Décomposition en mode dynamique dans des simulations de raffinement de maillage adaptatif et de grossissement
- Translated title (Spanish)
- Descomposición en modo dinámico en refinamiento de malla adaptativo y simulaciones de engrosamiento
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3192166884
- DOI
- 10.1007/s00366-021-01485-6
References
- https://openalex.org/W1552345433
- https://openalex.org/W1633869374
- https://openalex.org/W1978588246
- https://openalex.org/W1985685378
- https://openalex.org/W2004026774
- https://openalex.org/W2014356541
- https://openalex.org/W2017128321
- https://openalex.org/W2023540108
- https://openalex.org/W2066660517
- https://openalex.org/W2070904851
- https://openalex.org/W2071182807
- https://openalex.org/W2080914886
- https://openalex.org/W2080922987
- https://openalex.org/W2090098022
- https://openalex.org/W2104388595
- https://openalex.org/W2111649122
- https://openalex.org/W2112311198
- https://openalex.org/W2117756735
- https://openalex.org/W2141898902
- https://openalex.org/W2146842127
- https://openalex.org/W2164954534
- https://openalex.org/W2170054433
- https://openalex.org/W2173853623
- https://openalex.org/W2287802986
- https://openalex.org/W2290969910
- https://openalex.org/W2341174028
- https://openalex.org/W2395962256
- https://openalex.org/W2405892775
- https://openalex.org/W2499282314
- https://openalex.org/W2531032231
- https://openalex.org/W2582992792
- https://openalex.org/W2600545102
- https://openalex.org/W2890639593
- https://openalex.org/W2899283552
- https://openalex.org/W2915854813
- https://openalex.org/W2963448313
- https://openalex.org/W2963780177
- https://openalex.org/W2980308966
- https://openalex.org/W3004227146
- https://openalex.org/W3004912322
- https://openalex.org/W3009999155
- https://openalex.org/W3030652498
- https://openalex.org/W3040925541
- https://openalex.org/W3043442870
- https://openalex.org/W3048914250
- https://openalex.org/W3099674394
- https://openalex.org/W3101219234
- https://openalex.org/W3102140816
- https://openalex.org/W3105018376
- https://openalex.org/W3118577024
- https://openalex.org/W3135531418
- https://openalex.org/W3165645494
- https://openalex.org/W3194482401
- https://openalex.org/W4210968171
- https://openalex.org/W4210984103
- https://openalex.org/W4224071957
- https://openalex.org/W4236797139
- https://openalex.org/W4238160257
- https://openalex.org/W4312258136