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物理学 > 流体动力学

arXiv:2507.02106 (physics)
[提交于 2025年7月2日 ]

标题: 解决湍流磁流体动力学:一种混合算子扩散框架

标题: Resolving Turbulent Magnetohydrodynamics: A Hybrid Operator-Diffusion Framework

Authors:Semih Kacmaz, E. A. Huerta, Roland Haas
摘要: 我们提出了一种混合机器学习框架,将物理信息神经算子(PINOs)与基于得分的生成扩散模型相结合,以模拟二维不可压缩电阻磁流体动力学(MHD)湍流在广泛雷诺数范围内的完整时空演化($\mathrm{Re}$)。该框架利用PINOs的方程约束泛化能力来预测相干的低频动力学,而条件扩散模型则随机校正高频残差,从而实现对完全发展湍流的精确建模。该方法在包含$\mathrm{Re} \in \{100, 250, 500, 750, 1000, 3000, 10000\}$的高保真模拟综合集合上进行训练,在以前确定性代理模型无法触及的区域内实现了最先进的准确性。在$\mathrm{Re}=1000$和$3000$处,该模型能够忠实重建速度场和磁场的完整谱能分布,深入模拟后期,以高保真度捕捉非高斯统计特性、间歇性结构和跨场相关性。在极端湍流水平($\mathrm{Re}=10000$)下,它仍然是第一个能够恢复磁场高波数演化的代理模型,保持大尺度形态并实现具有统计意义的预测。
摘要: We present a hybrid machine learning framework that combines Physics-Informed Neural Operators (PINOs) with score-based generative diffusion models to simulate the full spatio-temporal evolution of two-dimensional, incompressible, resistive magnetohydrodynamic (MHD) turbulence across a broad range of Reynolds numbers ($\mathrm{Re}$). The framework leverages the equation-constrained generalization capabilities of PINOs to predict coherent, low-frequency dynamics, while a conditional diffusion model stochastically corrects high-frequency residuals, enabling accurate modeling of fully developed turbulence. Trained on a comprehensive ensemble of high-fidelity simulations with $\mathrm{Re} \in \{100, 250, 500, 750, 1000, 3000, 10000\}$, the approach achieves state-of-the-art accuracy in regimes previously inaccessible to deterministic surrogates. At $\mathrm{Re}=1000$ and $3000$, the model faithfully reconstructs the full spectral energy distributions of both velocity and magnetic fields late into the simulation, capturing non-Gaussian statistics, intermittent structures, and cross-field correlations with high fidelity. At extreme turbulence levels ($\mathrm{Re}=10000$), it remains the first surrogate capable of recovering the high-wavenumber evolution of the magnetic field, preserving large-scale morphology and enabling statistically meaningful predictions.
主题: 流体动力学 (physics.flu-dyn) ; 人工智能 (cs.AI); 机器学习 (cs.LG); 广义相对论与量子宇宙学 (gr-qc); 计算物理 (physics.comp-ph)
ACM 类: J.2; I.2
引用方式: arXiv:2507.02106 [physics.flu-dyn]
  (或者 arXiv:2507.02106v1 [physics.flu-dyn] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.02106
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Semih Kacmaz [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 7 月 2 日 19:33:57 UTC (3,460 KB)
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