While analytical solutions of critical (phase) transitions in physical systems are abundant for simple nonlinear systems, such analysis remains intractable for real-life dynamical systems. A key example of such a physical system is thermoacoustic instability in combustion, where prediction or early detection of an onset of instability is a hard technical challenge, which needs to be addressed to build safer and more energy-efficient gas turbine engines powering aerospace and energy industries. The instabilities arising in combustion chambers of engines are mathematically too complex to model. To address this issue in a data-driven manner instead, we propose a novel deep learning architecture called 3D convolutional selective autoencoder (3D-CSAE) to detect the evolution of self-excited oscillations using spatiotemporal data, i.e., hi-speed videos taken from a swirl-stabilized combustor (laboratory surrogate of gas turbine engine combustor). 3D-CSAE consists of filters to learn, in a hierarchical fashion, the complex visual and dynamic features related to combustion instability. We train the 3D-CSAE on frames of videos obtained from a limited set of operating conditions. We select the 3D-CSAE hyper-parameters that are effective for characterizing hierarchical and multiscale instability structure evolution by utilizing the dynamic information available in the video. The proposed model clearly shows performance improvement in detecting the precursors of instability. The machine learning-driven results are verified with physics-based off-line measures. Advanced active control mechanisms can directly leverage the proposed online detection capability of 3D-CSAE to mitigate the adverse effects of combustion instabilities on the engine operating under various stringent requirements and conditions.


翻译:虽然物理系统中关键(阶段)过渡的分析性解决办法对简单的非线性系统而言十分丰富,但这种分析对于现实生活中的动态系统来说仍然是难以解决的。这种物理系统的一个重要例子是燃烧中的温度不稳定性,对不稳定的开始的预测或早期探测是一项艰巨的技术挑战,需要加以解决,以建立更安全、更节能的燃气涡轮机引擎引擎,为航空航天和能源工业提供动力。发动机燃烧室中出现的不稳定性在数学上过于复杂,无法建模。为了以数据驱动的更为严格的方式解决这一问题,我们提议建立一个名为3D 的深层次学习结构,称为3D 的循环选择性自动自动电算器(3D-CSAE),以探测自解的振动振动振动振动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动电动系统。我们用3D-CS-A-A-A-A-SL-SL-SD-SL-SD-SD-SD-S-SD-S-S-S-S-SD-S-S-SD-S-S-S-S-SD-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-SD-SD-SD-SD-SD-SD-SD-S-S-S-S-SL-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-S-

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