Surrogate Models of Hydrogen Oxidation Kinetics based on Deep Neural Networks

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper presents a data based surrogate model of the chemical kinetics of hydrogen oxidation by air using recurrent and feed-forward neural networks. The work aims at the application of surrogate models in computational fluid dynamics simulators, which are ubiquitous in the development and optimization of modern chemical technologies. The sensitivity of the results to the size of the data set and network parameters is analyzed. For a seven-component reaction mechanism at adiabatic conditions, a model trained on a sample of one million sets of initial conditions enables prediction of the dependence of concentrations and temperature on time with a standard deviation below 2% over 20 microsecond range. However, points with large deviations reaching 10% are also observed, mostly for minor components with low concentrations. The surrogate model is several times faster compared to the direct numerical solution of kinetic equations on the temporal grid. The computational performance strongly depends on the batch size and is sensitive to the hardware. The results of the work demonstrate a significant potential of machine learning methods for modeling chemical transformations in computational fluid dynamics solvers. Further improvement of the accuracy with a similar computational performance can be expected from: (a) separate models for short-time (that is, strongly non-equilibrium) and long-time (closer to the equilibrium) ranges; (b) repeated optimization of network parameters even with minor modifications of the reaction mechanism; (c) more versatile approaches to complying with the conservation laws (d) application of physics informed machine learning (e.g. of the models with additional physical and chemical constraints such as mass conservation).

About the authors

I. Akeweje

Skolkovo Institute of Science and Technology

Email: easygear3428@gmail.com
Moscow, Russia

V. V. Vanovskiy

Skolkovo Institute of Science and Technology

Email: easygear3428@gmail.com
Moscow, Russia

A. M. Vishnyakov

Skolkovo Institute of Science and Technology

Author for correspondence.
Email: easygear3428@gmail.com
Moscow, Russia

References

  1. Komp E., Janulaitis N., Valleau S. Progress towards machine learning reaction rate constants // Phys. Chem. Chem. Phys. 2022. V. 24. № 5. P. 2692.
  2. Grambow C.A., Pattanaik L., Green W.H. Deep Learning of Activation Energies // J. Phys. Chem. Lett. 2020. V. 11 № 8. P. 2992.
  3. Wan K., Barnaud C., Vervisch L.,Domingo P. Chemistry reduction using machine learning trained from non-premixed micro-mixing modeling: Application to DNS of a syngas turbulent oxy-flame with side-wall effects // Combustion and Flame. 2020. V. 220. № . P. 119.
  4. Lim H., Jung Y.J. MLSolvA: solvation free energy prediction from pairwise atomistic interactions by machine learning // J. Cheminformatics. 2021. V. 13. № 1. P. 56.
  5. Nakajima M., Nemoto T. Machine learning enabling prediction of the bond dissociation enthalpy of hypervalent iodine from SMILES // Sci. Rep. 2021. V. 11 № 1. P. 20207.
  6. Buchheita K., Owoyelea O., Jordana T., van Essendelft D.T., STEV: A Stabilized Explicit Variable-Load Solver with Machine Learning Acceleration for the Rapid Solution of Stiff Chemical Kinetics. 2019: arxiv. 1905/1905.09395
  7. Cerri G., Michelassi V., Monacchia S., Pica S. Kinetic combustion neural modelling integrated into computational fluid dynamics // Proc. Inst. Mech. Eng., Part A: J. Power & Energy. 2003. V. 217 № 2. P. 185.
  8. Keller A.C., Evans J.M. Application of random forest regression to the calculation of gas-phase chemistry within the GEOS-Chem chemistry model v10. Geoscientific Model Development // Geoscientific Model Development. 2019. V. 12 № 3. P. 1209-1225.
  9. Owoyele O., Pal P. ChemNODE: A neural ordinary differential equations framework for efficient chemical kinetic solvers // Energy and AI. 2022. V. 7 P. 100118
  10. Sen B.A., Menon S. Linear eddy mixing based tabulation and artificial neural networks for large eddy simulations of turbulent flames // Combustion and Flame. 2010. V. 157. № 1. P. 62.
  11. Blasco J.A., Fueyo N., Dopazo C.,Ballester J. Modelling the temporal evolution of a reduced combustion chemical system with an artificial neural network // Combustion and Flame. 1998. V. 113. № 1–2. P. 38.
  12. Blasco J.A., Fueyo N., Larroya J.C., Dopazo C., Chen Y.J. A single-step time-integrator of a methane-air chemical system using artificial neural networks // Comput and Chem. Eng. 1999. V. 23. № 9. P. 1127.
  13. Chen J.Y., Blasco J.A., Fueyo N., Dopazo C. An economical strategy for storage of chemical kinetics: Fitting in situ adaptive tabulation with artificial neural networks // Proceed Combust. Inst. 2000. V. 28 № 1. P. 115.
  14. Culpo M. Current Bottlenecks in the Scalability of OpenFOAM on Massively Parallel Clusters. 2021 10.31.2022]; Available from: https://prace-ri.eu/wp-content/uploads/Current_Bottlenecks_in_the_Scalability_of_OpenFOAM_on_Massively_Parallel_Clusters.pdf.
  15. An J., He G., Luo K., Qin F., Liu B. Artificial neural network based chemical mechanisms for computationally efficient modeling of hydrogen/carbon monoxide/kerosene combustion // International J. Hydrogen Energy. 2020. V. 45 № 53. P. 29594.
  16. Sharma A.J., Johnson R.F., Moses A.D., Kessler D.A. Deep learning for scalable chemical kinetics. in AIAA Scitech 2020 Forum. 2020. Orlando.
  17. Li J., Zhao Z., Kazakov A., Dryer F.L. An updated comprehensive kinetic model of hydrogen combustion // Int. J. Chem. Kinetics. 2004. V. 36. № 10. P. 566.
  18. Matveev V.G. A Simplified hydrogen combustion mechanism // Combustion, Explosion, and Shock Waves// 2001 V. 37 P. 3 [Матвеев В.Г. Упрощение механизма горения водорода // Физика горения и взрыва. 2001. V. 37 №. P. 3.]
  19. Гурвич Л.И. // Термодинамические свойства индивидуальных веществ Т. 4. 1978–1982, Москва: Наука.
  20. Hastie T., Tibshirani R., Friedman J.H. Boosting and Additive Trees, in The Elements of Statistical Learning. 2009. Springer: New York. p. 337–384.
  21. Williams R.J., Hinton G.E., Rumelhart D.E. Learning representations by back-propagating errors // Nature. 1986. V. 323 №. P. 533.
  22. Kingma D.P., Ba L.J. Adam: A Method for Stochastic Optimization EventInternational Conference on Learning Representations, in International Conference on Learning Representations. 2015. ICLR San Diego.
  23. Zell A. // Simulation Neuronaler Netze. 1994. Addison-Wesley.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (89KB)
3.

Download (301KB)
4.

Download (278KB)
5.

Download (18KB)

Copyright (c) 2023 И. Акевейе, В.В. Вановский, А.М. Вишняков

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».