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Aprendizaje de flujos turbulentos con modelos generativos: superresolución, pronóstico y reconstrucción de flujo disperso

Created by
  • Haebom

Autor

Vivek Oommen, Siavash Khodakarami, Aniruddha Bora, Zhicheng Wang, George Em Karniadakis

Describir

Este artículo destaca que los agentes neuronales entrenados con la función de pérdida L2 estándar tienden a suavizar excesivamente las estructuras turbulentas de escala fina y propone un método para superar esta limitación combinando modelos generativos con el entrenamiento de agentes neuronales. Demostramos las fallas de los agentes neuronales convencionales en tres problemas prácticos de flujo turbulento: superresolución espaciotemporal, predicción y reconstrucción de flujo disperso, y abordamos estos desafíos utilizando un agente neuronal entrenado adversarialmente (adv-NO). En la superresolución de chorro de Schlieren, adv-NO reduce los errores espectrales de energía en un factor de 15, al tiempo que mantiene gradientes agudos a costa de la inferencia a nivel de agente neuronal. En turbulencia isotrópica homogénea 3D, adv-NO, entrenado con solo 160 pasos de tiempo de una sola trayectoria, predice con precisión un aumento de más de cinco veces en el tiempo de rotación del vórtice y logra una aceleración del reloj de pared de 114x sobre los predictores basados ​​en la difusión de referencia, lo que permite una evolución casi en tiempo real. Finalmente, al reconstruir el flujo de la estela cilíndrica a partir de entradas muy dispersas, similares a la velocimetría de seguimiento de partículas, el modelo generativo condicional infiere campos 3D completos de velocidad y presión con una alineación de fase y estadísticas correctas. Este avance permite una reconstrucción y predicción precisas con un bajo coste computacional, lo que facilita el análisis y el control casi en tiempo real en dinámica de fluidos experimental y computacional.

Takeaways, Limitations

Takeaways:
Demostramos que la combinación de modelos generativos y agentes neuronales puede superar las limitaciones de los agentes neuronales convencionales en problemas de flujo turbulento.
Presenta aplicabilidad a varios problemas de flujo turbulento, incluida la súper resolución espaciotemporal, la predicción y la reconstrucción de flujo disperso.
Puede tener un impacto significativo en los campos de la dinámica de fluidos experimental y computacional al permitir el análisis y el control en tiempo casi real.
Usando adv-NO, podemos reducir significativamente los errores espectrales de energía y reducir los costos computacionales.
Limitations:
Se necesita más investigación para evaluar el rendimiento de generalización del método presentado en este artículo.
Se requiere una verificación adicional de su aplicabilidad a varios tipos de flujos turbulentos.
Se necesitan más investigaciones para determinar su aplicabilidad y eficacia para problemas de flujo turbulento de alta dimensión.
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