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Multi-scale rotation-equivariant graph neural networks for unsteady Eulerian fluid dynamics

雷诺数 物理 计算流体力学 流体力学 平流 欧拉路径 旋转(数学) 算法 应用数学 计算机科学 人工智能 机械 数学 湍流 热力学 拉格朗日 数学物理
作者
Mario Lino,Stathi Fotiadis,Anil A. Bharath,Chris D. Cantwell
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:34 (8) 被引量:61
标识
DOI:10.1063/5.0097679
摘要

The simulation of fluid dynamics, typically by numerically solving partial differential equations, is an essential tool in many areas of science and engineering. However, the high computational cost can limit application in practice and may prohibit exploring large parameter spaces. Recent deep-learning approaches have demonstrated the potential to yield surrogate models for the simulation of fluid dynamics. While such models exhibit lower accuracy in comparison, their low runtime makes them appealing for design-space exploration. We introduce two novel graph neural network (GNN) models, multi-scale (MuS)-GNN and rotation-equivariant (RE) MuS-GNN, for extrapolating the time evolution of the fluid flow. In both models, previous states are processed through multiple coarsening of the graph, which enables faster information propagation through the network and improves the capture and forecast of the system state, particularly in problems encompassing phenomena spanning a range of length scales. Additionally, REMuS-GNN is architecturally equivariant to rotations, which allows the network to learn the underlying physics more efficiently, leading to improved accuracy and generalization. We analyze these models using two canonical fluid models: advection and incompressible fluid dynamics. Our results show that the proposed GNN models can generalize from uniform advection fields to high-gradient fields on complex domains. The multi-scale graph architecture allows for inference of incompressible Navier–Stokes solutions, within a range of Reynolds numbers and design parameters, more effectively than a baseline single-scale GNN. Simulations obtained with MuS-GNN and REMuS-GNN are between two and four orders of magnitude faster than the numerical solutions on which they were trained.
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