Convolutional neural network and long short-term memory based reduced order surrogate for minimal turbulent channel flow

作者
Taichi Nakamura,Kai Fukami,Kazuto Hasegawa,Yusuke Nabae,Koji Fukagata
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:33 (2) 被引量:216
标识
DOI:10.1063/5.0039845
摘要

We investigate the applicability of the machine learning based reduced order model (ML-ROM) to three-dimensional complex flows. As an example, we consider a turbulent channel flow at the friction Reynolds number of Reτ=110 in a minimum domain, which can maintain coherent structures of turbulence. Training datasets are prepared by direct numerical simulation (DNS). The present ML-ROM is constructed by combining a three-dimensional convolutional neural network autoencoder (CNN-AE) and a long short-term memory (LSTM). The CNN-AE works to map high-dimensional flow fields into a low-dimensional latent space. The LSTM is, then, utilized to predict a temporal evolution of the latent vectors obtained by the CNN-AE. The combination of the CNN-AE and LSTM can represent the spatiotemporal high-dimensional dynamics of flow fields by only integrating the temporal evolution of the low-dimensional latent dynamics. The turbulent flow fields reproduced by the present ML-ROM show statistical agreement with the reference DNS data in time-ensemble sense, which can also be found through an orbit-based analysis. Influences of the population of vortical structures contained in the domain and the time interval used for temporal prediction on the ML-ROM performance are also investigated. The potential and limitation of the present ML-ROM for turbulence analysis are discussed at the end of our presentation.

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