دانش و فناوری هوافضا

دانش و فناوری هوافضا

مدل جانشین ترکیبی فرایند گاوسی پراکنده و بوستر Random Forest برای پیش‌بینی ویژگی‌های ورودی زیرصوت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی هوافضا، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
چکیده
شبیه ‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)، علی ‌رغم دقت بالا در تحلیل ورودی‌های هوایی زیرصوت، به دلیل هزینه محاسباتی قابل توجه، فرآیندهای تکرارشونده طراحی و بهینه‌سازی را با محدودیت مواجه می‌سازد. در این پژوهش، یک مدل جانشین ترکیبیِ داده‌محور معرفی شده است که قادر به پیش‌بینی فشار استاتیک و سکون، نیروی پسا، عدد ماخ و شاخص یکنواختی سرعت (VUI) با دقت در سطح صنعتی می‌باشد. این مدل، زمان محاسبات معادلات ناویر-استوکس میانگین‌گیری شده رینولدز (RANS) را از چندین ساعت به کمتر از 5 میلی‌ثانیه بر روی پردازنده گرافیکی (GPU) کاهش می‌دهد. چارچوب پیشنهادی برای کمیت‌های با نوسان زیاد، بر یک فرایند گاوسی چندخروجی تُنُک ( Sparse LMC-GPR با کرنل Matern 2.5 و Rational Quadratic و 15% نقاط القایی) و برای خروجی‌های با نوسان کم، بر یک مدل جنگل تصادفی بوستر (با 500 درخت) استوار است. با استفاده از جست‌وجوی قطعی برای مقدار اولیه (Seed) در بازه 0 تا 50، مقدار بهینه 20 تعیین گردید که منجر به کاهش خطای nRMSE پنج‌گانه به 0.11 شد. ارزیابی متقابل گروهی روی 123 هندسه مختلف، مقادیر nRMSE<0.13 برای نیروی پسا و nRMSE<0.08 برای فشارها را نشان داد. اعتبارسنجی خارجی روی 10 هندسه تصادفی نیز حاکی از خطای نسبی (MAPE) کمتر از 0.12% و R2>0.98 برای تمامی خروجی‌ها است. این مدل با ارائه برآورد عدم قطعیت کالیبره ‌شده، بستر مناسبی را برای یادگیری فعال و طراحی بلادرنگ ورودی‌های هوایی فراهم می‌آورد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

A hybrid surrogate model of sparse gaussian process and random forest booster for predicting subsonic inlet characteristics

نویسندگان English

Mohammadrasuol Golshirazi
Farshad Pazooki
Alireza Davari
Department of Aerospace Engineering, SR.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran.
چکیده English

Computational Fluid Dynamics (CFD), despite its high accuracy in analyzing subsonic air inlets, restricts iterative design and optimization processes due to its significant computational cost. This study introduces a data-driven hybrid surrogate model capable of predicting static and stagnation pressures, drag force, Mach number, and Velocity Uniformity Index (VUI) with industrial-level precision. The model reduces Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) computation time from several hours to less than 5 milliseconds on a Graphics Processing Unit (GPU). The proposed framework relies on a Sparse Linear Model of Coregionalization Gaussian Process Regression (Sparse LMC-GPR with Matern 2.5 and Rational Quadratic kernels, and 15% inducing points) for high-variance quantities, and a boosted Random Forest model (with 500 trees) for low-variance outputs. A deterministic seed search (range 0 to 50) identified an optimal value of 20, reducing the 5-fold nRMSE to 0.11. Group cross-validation across 123 different geometries demonstrated nRMSE<0.13 for drag and nRMSE<0.08 for pressures. External validation on 10 random geometries revealed a Mean Absolute Percentage Error (MAPE) below 0.12% and R2>0.98 for all outputs. Ultimately, by providing calibrated uncertainty estimates, this model offers a reliable alternative to direct CFD solutions, facilitating real-time design and active learning frameworks.

کلیدواژه‌ها English

Subsonic Air Inlet
Data-Driven Surrogate Model
Multi-Output Gaussian Process
Random Forest
Active Learning