Learning turbulent flows with generative models for super resolution and sparse flow reconstruction

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作者
Vivek Oommen,Siavash Khodakarami,Aniruddha Bora,Zhicheng Wang,George Em Karniadakis
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-026-70145-4
摘要

Neural operators are promising surrogates for dynamical systems but when trained with standard L2 losses they tend to oversmooth fine-scale turbulent structures. Here, we show that combining operator learning with generative modeling overcomes this limitation. We consider three practical turbulent-flow challenges where conventional neural operators fail: spatio-temporal super-resolution, forecasting, and sparse flow reconstruction. For Schlieren jet super-resolution, an adversarially trained neural operator (adv-NO) reduces the energy-spectrum error by 15 × while preserving sharp gradients at neural operator-like inference cost. For 3D homogeneous isotropic turbulence, adv-NO trained on only 160 timesteps from a single trajectory forecasts accurately for five eddy-turnover times and offers 114 × wall-clock speed-up at inference than the baseline diffusion-based forecasters, enabling near-real-time rollouts. For reconstructing cylinder wake flows from highly sparse Particle Tracking Velocimetry-like inputs, a conditional generative model infers full 3D velocity and pressure fields with correct phase alignment and statistics. These advances enable accurate reconstruction and forecasting at low compute cost, bringing near-real-time analysis and control within reach in experimental and computational fluid mechanics. Turbulent flow modeling remains a significant challenge due to the computational expense and difficulty in accurately capturing fine-scale structures. This work introduces an adversarially trained neural operator that effectively combines operator learning with generative modeling, achieving substantial improvements in spatio-temporal super resolution, forecasting, and sparse flow reconstruction, thereby enabling accurate and efficient analysis of turbulent flows.
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