یادگیری فضازمانی دنباله با استفاده از کانولوشن سه‌بعدی برای برآورد بار آیرودینامیکی لحظه‌ای استوانه مربعی با تکیه‌گاه الاستیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی کامپیوتر، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه، اراک اراک، ایران

2 گروه طراحی کاربردی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

3 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران

10.66224/masm.2026.2105501.1205
چکیده
در این پژوهش، یک شبکه عصبی کانولوشنی سه‌بعدی فشرده برای پیش‌بینی مستقیم ضریب برآی لحظه‌ای در ارتعاشات ناشی از جریان آشفته یک استوانه مربعی با تکیه‌گاه الاستیک و دو درجه آزادی ارائه شده است. داده‌های سازگار با فیزیک از یک مدل اعتبارسنجی‌شده اندرکنش سیال–سازه دوطرفه، مبتنی بر معادلات ناپایای میانگین‌گیری‌شده ناویر–استوکس و مدل آشفتگی k-ω SST، به دست آمد. پس از حذف پاسخ گذرا، ۱۰۱۷ تصویر هم‌زمان از میدان دنباله و ضریب برآ طی ۱۰۱٫۷ ثانیه گردآوری شد. تصاویر متوالی به‌صورت یک حجم فضازمانی واحد به شبکه داده شدند تا ریخت گردابه‌ها، تحول لایه‌های برشی و پویایی کوتاه‌مدت دنباله بدون استفاده از واحدهای بازگشتی یاد گرفته شود. تقسیم داده‌ها به‌ترتیب زمانی انجام گرفت. تحلیل حساسیت، طول توالی ۱۸ و اندازه دسته ۱۴ را به‌عنوان تنظیم بهینه مشخص کرد. مدل نهایی به R2train = 0.932 و R2test = 0.919، با MAE حدود ۰٫۱۹ و MSE حدود ۰٫۰۶، دست یافت و دامنه، نقاط اوج و فرود، عبور از صفر و فاز سیگنال آزمون را با دقت مناسب بازسازی کرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Spatiotemporal Wake Learning via Three-Dimensional Convolution for Instantaneous Aerodynamic Load Estimation on an Elastically Mounted Square Cylinder

نویسندگان English

Ahmadreza Rabiee 1
Amir Hossein Rabiee 2
Mostafa Esmaeili 3
1 Department of Computer Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak 38181-75846, Iran
2 School of Mechanical Engineering, Arak University of Technology, Arak 38181-41167, Iran
3 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Kharazmi University, Tehran 15719-14911, Iran
چکیده English

This study presents a unified three-dimensional convolutional neural network (3D CNN) for the direct prediction of the instantaneous lift coefficient in turbulent flow-induced vibration of a two-degree-of-freedom elastically mounted square cylinder. Physics-consistent data were generated using a validated two-way coupled URANS-FSI model with the k-ω SST turbulence closure. After excluding the initial transient response, 1017 synchronized wake-field snapshots and lift-coefficient values were collected over 101.7 s. Consecutive flow images were processed as a single spatio-temporal volume, allowing the Conv3D kernels to learn vortex morphology, shear-layer evolution, and short-term wake dynamics without recurrent units or reduced-order preprocessing. A chronological train-validation-test division was adopted to preserve temporal causality. Sensitivity analysis identified a sequence length of T = 18 and a batch size of 14 as the optimal configuration. The final network achieved R2train = 0.932 and R2test = 0.919, with approximate MAE = 0.19 and MSE = 0.06. Time-history comparisons showed accurate recovery of oscillation amplitude, extrema, zero crossings, and phase over the unseen test interval. These results demonstrate that direct three-dimensional convolution can provide an effective image-to-force surrogate for turbulent fluid-structure interaction.

کلیدواژه‌ها English

Flow-induced vibration
Three-dimensional convolutional neural network
Lift coefficient prediction
Fluid-structure interaction
Square cylinder

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 19 مهر 1405

  • تاریخ دریافت 18 شهریور 1405
  • تاریخ بازنگری 15 مهر 1405
  • تاریخ پذیرش 19 مهر 1405