In turbulence modeling, and more particularly in the Large-Eddy Simulation (LES) framework, we are concerned with finding closure models that represent the effect of the unresolved subgrid scales on the resolved scales. Recent approaches gravitate towards machine learning techniques to construct such models. However, the stability of machine-learned closure models and their abidance by physical structure (e.g. symmetries, conservation laws) are still open problems. To tackle both issues, we take the `discretize first, filter next' approach, in which we apply a spatial averaging filter to existing energy-conserving (fine-grid) discretizations. The main novelty is that we extend the system of equations describing the filtered solution with a set of equations that describe the evolution of (a compressed version of) the energy of the subgrid scales. Having an estimate of this energy, we can use the concept of energy conservation and derive stability. The compressed variables are determined via a data-driven technique in such a way that the energy of the subgrid scales is matched. For the extended system, the closure model should be energy-conserving, and a new skew-symmetric convolutional neural network architecture is proposed that has this property. Stability is thus guaranteed, independent of the actual weights and biases of the network. Importantly, our framework allows energy exchange between resolved scales and compressed subgrid scales and thus enables backscatter. To model dissipative systems (e.g. viscous flows), the framework is extended with a diffusive component. The introduced neural network architecture is constructed such that it also satisfies momentum conservation. We apply the new methodology to both the viscous Burgers' equation and the Korteweg-De Vries equation in 1D and show superior stability properties when compared to a vanilla convolutional neural network.


翻译:在动荡的建模中,更具体地说,在大干旱模拟(LES)框架中,我们担心的是找到代表未解决的亚格丽格规模对已解决规模的影响的封闭模式。最近的方法倾向于机械学习技术,以构建这些模型。然而,机器学的封闭模型的稳定性及其物理结构(例如对称、保护法)的适中度仍然是尚未解决的问题。为了解决这两个问题,我们采用了“先分解,过滤下一步”的方法,即将空间平均过滤器应用到现有的节能(网格)离散。主要的新颖之处是,我们将描述过滤解决方案的方程式系统扩大到机器学习技术以构建这些模型的模型。但是,机器学的封闭式封闭式的封闭式模型应该用来描述经过过滤的解决方案,用来描述(一个压缩版版版的)亚格的能源规模(例如对称对称、保护法)的演变过程。我们可以使用节能和稳定的概念。当数据驱动的模型在亚格丽尔格规模的能源比对准时,通过一种数据驱动技术来确定压缩变量。对于当前的节能结构,对于延长的系统来说,关闭式模型应该使电流流流流流流流能和直径网络结构能够显示这种稳定的网络结构。因此变的网络结构,因此,因此,因此,稳定的网络结构结构结构结构可以显示这种结构的稳定性结构的稳定性和新结构的稳定性是保证。</s>

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