Fluid thermodynamics underpins atmospheric dynamics, climate science, industrial applications, and energy systems. However, direct numerical simulations (DNS) of such systems can be computationally prohibitive. To address this, we present a novel physics-informed spatiotemporal surrogate model for Rayleigh-B\'enard convection (RBC), a canonical example of convective fluid flow. Our approach combines convolutional neural networks, for spatial dimension reduction, with an innovative recurrent architecture, inspired by large language models, to model long-range temporal dynamics. Inference is penalized with respect to the governing partial differential equations to ensure physical interpretability. Since RBC exhibits turbulent behavior, we quantify uncertainty using a conformal prediction framework. This model replicates key physical features of RBC dynamics while significantly reducing computational cost, offering a scalable alternative to DNS for long-term simulations.


翻译:流体热力学是大气动力学、气候科学、工业应用与能源系统的基础。然而,对此类系统进行直接数值模拟(DNS)的计算成本往往过高。为解决这一问题,我们针对瑞利-贝纳德对流(RBC)这一对流流体运动的典型范例,提出了一种新颖的基于物理信息的时空代理模型。我们的方法结合了用于空间降维的卷积神经网络,以及一种受大语言模型启发、用于建模长程时间动态的创新循环架构。模型推理过程受到控制偏微分方程的约束,以确保其物理可解释性。鉴于RBC表现出湍流行为,我们采用保形预测框架来量化不确定性。该模型在显著降低计算成本的同时,复现了RBC动力学的关键物理特征,为长期模拟提供了一种可扩展的DNS替代方案。

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