The present study develops a physics-constrained neural network (PCNN) to predict sequential patterns and motions of multiphase flows (MPFs), which includes strong interactions among various fluid phases. To predict the order parameters, which locate individual phases in the future time, a neural network (NN) is applied to quickly infer the dynamics of the phases by encoding observations. The multiphase consistent and conservative boundedness mapping algorithm (MCBOM) is next implemented to correct the predicted order parameters. This enforces the predicted order parameters to strictly satisfy the mass conservation, the summation of the volume fractions of the phases to be unity, the consistency of reduction, and the boundedness of the order parameters. Then, the density of the fluid mixture is updated from the corrected order parameters. Finally, the velocity in the future time is predicted by another NN with the same network structure but the conservation of momentum is included in the loss function to shrink the parameter space. The proposed PCNN for MPFs sequentially performs (NN)-(MCBOM)-(NN), which avoids unphysical behaviors of the order parameters, accelerates the convergence, and requires fewer data to make predictions. Numerical experiments demonstrate that the proposed PCNN is capable of predicting MPFs effectively.


翻译:本研究开发了一个物理限制的神经网络,以预测多相流(MPFs)的连续模式和运动,其中包括各种流体阶段之间的强大互动;预测未来定位各个阶段的顺序参数,通过编码观测,将神经网络用于快速推断各阶段的动态;下一个实施多相一致和保守的封闭性测绘算法(MCBOM)以纠正预测的顺序参数;这强制执行了预测的订单参数,以严格满足质量保护、各阶段数量分数的相加以达到统一、减少的一致性和定序参数的界限;然后,根据修正的顺序参数更新液体混合物的密度;最后,未来时间的速度由另一个具有同一网络结构但保持势头的NNW预测,包括在缩小参数空间的损失函数中。拟议的用于MPFS连续运行的PCNN(NN-MCBOM--NNN),这避免了秩序参数的非物理行为,加速了汇合速度,并且要求能够有效预测的MPFM的数据减少。

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