Attention-enhanced neural network models for turbulence simulation

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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:49
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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