A novel attention enhanced deep neural network for hypersonic spatiotemporal turbulence prediction

湍流 高超音速 物理 编码器 人工神经网络 卷积神经网络 循环神经网络 人工智能 解码方法 计算机科学 算法 机械 操作系统
作者
J. Du,Xin Li,Siwei Dong,Ziyang Liu,Gang Chen
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (5) 被引量:13
标识
DOI:10.1063/5.0210966
摘要

High Reynolds number turbulent flow of hypersonic vehicles exhibits multi-scale flow structures and non-equilibrium high-frequency characteristics, presenting a significant challenge for accurate prediction. A deep neural network integrated with attention mechanism as a reduced order model for hypersonic turbulent flow is proposed, which is capable of capturing spatiotemporal characteristics from high-dimensional numerical turbulent data directly. The network model leverages encoder–decoder architecture where the encoder captures high-level semantic information of input flow field, Convolutional Long Short-Term Memory network learns low-dimensional characteristic evolution, and the decoder generates pixel-level multi-channel flow field information. Additionally, skip connection structure is introduced at the decoding stage to enhance feature fusion while incorporating Dual-Attention-Block that automatically adjusts weights to capture spatial imbalances in turbulence distribution. Through evaluating the time generalization ability, the neural network effectively learns the evolution of multi-scale high-frequency turbulence characteristics. It enables rapid prediction of high Reynolds number turbulence evolution over time with reasonable accuracy while maintaining excellent computational efficiency.
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