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Attention-enhanced neural network models for turbulence simulation

湍流 物理 人工神经网络 水准点(测量) 流量(数学) 统计物理学 Kε湍流模型 计算流体力学 雷诺数 回旋动理学 算法 人工智能 计算机科学 机械 大地测量学 地理 等离子体 量子力学 托卡马克
作者
Wenhui Peng,Zelong Yuan,Jianchun Wang
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:34 (2) 被引量:60
标识
DOI:10.1063/5.0079302
摘要

Deep neural network models have shown great potential in accelerating the simulation of fluid dynamic systems. Once trained, these models can make inferences within seconds, thus can be extremely efficient. However, it becomes more difficult for neural networks to make accurate predictions when the flow becomes more chaotic and turbulent at higher Reynolds numbers. One of the most important reasons is that existing models lack the mechanism to handle the unique characteristic of high-Reynolds-number turbulent flow; multi-scale flow structures are nonuniformly distributed and strongly nonequilibrium. In this work, we address this issue with the concept of visual attention: intuitively, we expect the attention module to capture the nonequilibrium of turbulence by automatically adjusting weights on different regions. We compare the model performance against a state-of-the-art neural network model as the baseline, the Fourier neural operator, on a two-dimensional turbulence prediction task. Numerical experiments show that the attention-enhanced neural network model outperforms existing state-of-the-art baselines, and can accurately reconstruct a variety of statistics and instantaneous spatial structures of turbulence at high Reynolds numbers. Furthermore, the attention mechanism provides 40% error reduction with 1% increase in parameters, at the same level of computational cost.
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