Recent works have explored the potential of machine learning as data-driven turbulence closures for RANS and LES techniques. Beyond these advances, the high expressivity and agility of physics-informed neural networks (PINNs) make them promising candidates for full fluid flow PDE modeling. An important question is whether this new paradigm, exempt from the traditional notion of discretization of the underlying operators very much connected to the flow scales resolution, is capable of sustaining high levels of turbulence characterized by multi-scale features? We investigate the use of PINNs surrogate modeling for turbulent Rayleigh-B{\'e}nard (RB) convection flows in rough and smooth rectangular cavities, mainly relying on DNS temperature data from the fluid bulk. We carefully quantify the computational requirements under which the formulation is capable of accurately recovering the flow hidden quantities. We then propose a new padding technique to distribute some of the scattered coordinates-at which PDE residuals are minimized-around the region of labeled data acquisition. We show how it comes to play as a regularization close to the training boundaries which are zones of poor accuracy for standard PINNs and results in a noticeable global accuracy improvement at iso-budget. Finally, we propose for the first time to relax the incompressibility condition in such a way that it drastically benefits the optimization search and results in a much improved convergence of the composite loss function. The RB results obtained at high Rayleigh number Ra = 2 $\bullet$ 10 9 are particularly impressive: the predictive accuracy of the surrogate over the entire half a billion DNS coordinates yields errors for all flow variables ranging between [0.3% -- 4%] in the relative L 2 norm, with a training relying only on 1.6% of the DNS data points.


翻译:最近的一些工程探索了机器学习的潜力,作为RANS和LES技术的数据驱动的动荡封闭。除了这些进步之外,物理学知情神经网络(PINNs)的高度直观性和敏捷性使得他们成为全流流 PDE 模型的充满希望的候选人。一个重要问题是,这个不受传统概念的离散基础操作者与流量比例分辨率非常密切的联系的新模式是否能够维持以多尺度特征为特征的高度动荡?我们调查了PINNs替代模型用于动荡Rayleigh-B#Nard(RB)的快速和平稳的直径神经神经网络(PINNs)的动态,主要依靠流动量的DNS温度数据。我们仔细量化了该公式能够准确恢复流动隐藏量的计算要求。我们然后提出一种新的定位技术来分配一些分散的坐标,而PNDS的残余在标称数据采集区域中只是最小化的。我们展示它是如何在接近培训边界的正规化状态下运行的,这个区域是粗糙的直径和平曲的直径的曲线曲线,主要在PIN值的轨道上的精确度值值值值值值值值值值值值值值值值值之间,我们最后在最大幅度的精确度上提出一个最大幅度的递减的结果。

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