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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 地理 托卡马克 等离子体 量子力学 大地测量学
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:40
标识
DOI:10.1063/5.0079302
摘要

Deep neural network models have shown a great potential in accelerating the simulation of fluid dynamic systems. Once trained, these models can make inference within seconds, thus can be extremely efficient. However, they suffer from a generalization problem when the flow becomes chaotic and turbulent. One of the most important reasons is that, existing models lack the mechanism to handle the unique characteristic of turbulent flow: multi-scale flow structures are non-uniformly 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 benchmark the performance improvement with a state of the art neural network model, the Fourier Neural Operator (FNO), on two-dimensional (2D) turbulence prediction task. Numerical experiments show that the attention-enhanced neural network model can generalize well on higher Reynolds numbers flow, and can accurately reconstruct a variety of statistics and instantaneous spatial structures of turbulence. The attention mechanism provides 40% error reduction with 1% increase of parameters, at the same level of computational cost.
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