The accurate prediction of flow fields around airfoils is crucial for aerodynamic design and optimisation. Computational Fluid Dynamics (CFD) models are effective but computationally expensive, thus inspiring the development of surrogate models to enable quicker predictions. These surrogate models can be based on deep learning architectures, such as Convolutional Neural Networks (CNNs), Graph Neural Networks (GNNs), and Diffusion Models (DMs). Diffusion models have shown significant promise in predicting complex flow fields. In this work, we propose FoilDiff, a diffusion-based surrogate model with a hybrid-backbone denoising network. This hybrid design combines the power of convolutional feature extraction and transformer-based global attention to generate more adaptable and accurate representations of flow structures. FoilDiff takes advantage of Denoising Diffusion Implicit Model (DDIM) sampling to optimise the efficiency of the sampling process at no additional cost to model generalisation. We used encoded representations of Reynolds number, angle of attack, and airfoil geometry to define the input space for generalisation across a wide range of aerodynamic conditions. When evaluated against state-of-the-art models, FoilDiff shows significant performance improvements, with mean prediction errors reducing by up to 85\% on the same datasets. The results have demonstrated that FoilDiff can provide both more accurate predictions and better-calibrated predictive uncertainty than existing diffusion-based models.


翻译:准确预测翼型周围的流场对于空气动力学设计与优化至关重要。计算流体动力学(CFD)模型虽然有效但计算成本高昂,这推动了替代模型的开发以实现更快速的预测。这些替代模型可基于深度学习架构,如卷积神经网络(CNN)、图神经网络(GNN)和扩散模型(DM)。扩散模型在预测复杂流场方面已显示出巨大潜力。本文提出FoilDiff,一种基于扩散的替代模型,采用混合骨干去噪网络。该混合设计结合了卷积特征提取的能力与基于Transformer的全局注意力机制,以生成更具适应性和准确性的流场结构表示。FoilDiff利用去噪扩散隐式模型(DDIM)采样来优化采样过程的效率,且不牺牲模型的泛化能力。我们使用雷诺数、攻角和翼型几何形状的编码表示来定义输入空间,以实现对广泛空气动力学条件的泛化。与最先进模型相比,FoilDiff表现出显著的性能提升,在相同数据集上平均预测误差降低了高达85%。结果表明,与现有基于扩散的模型相比,FoilDiff不仅能提供更准确的预测,还具有更优校准的预测不确定性。

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