Deep learning (DL) has demonstrated promise for accelerating and enhancing the accuracy of flow physics simulations, but progress is constrained by the scarcity of high-fidelity training data, which is costly to generate and inherently limited to a small set of flow conditions. Consequently, closures trained in the conventional offline paradigm tend to overfit and fail to generalise to new regimes. We introduce an online optimisation framework for DL-based Reynolds-averaged Navier--Stokes (RANS) closures which seeks to address the challenge of limited high-fidelity datasets. Training data is dynamically generated by embedding a direct numerical simulation (DNS) within a subdomain of the RANS domain. The RANS solution supplies boundary conditions to the DNS, while the DNS provides mean velocity and turbulence statistics that are used to update a DL closure model during the simulation. This feedback loop enables the closure to adapt to the embedded DNS target flow, avoiding reliance on precomputed datasets and improving out-of-distribution performance. The approach is demonstrated for the stochastically forced Burgers equation and for turbulent channel flow at $Re_\tau=180$, $270$, $395$ and $590$ with varying embedded domain lengths $1\leq L_0/L\leq 8$. Online-optimised RANS models significantly outperform both offline-trained and literature-calibrated closures, with accurate training achieved using modest DNS subdomains. Performance degrades primarily when boundary-condition contamination dominates or when domains are too short to capture low-wavenumber modes. This framework provides a scalable route to physics-informed machine learning closures, enabling data-adaptive reduced-order models that generalise across flow regimes without requiring large precomputed training datasets.


翻译:深度学习(DL)在加速流动物理模拟并提升其精度方面展现出潜力,但其进展受限于高保真训练数据的稀缺性——这些数据生成成本高昂且本质上仅适用于有限的流动工况。因此,采用传统离线范式训练的封闭模型往往过拟合,难以推广到新的流动体系。本文提出一种基于深度学习的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)封闭模型在线优化框架,旨在应对高保真数据集有限的挑战。训练数据通过在RANS计算域的子域内嵌入直接数值模拟(DNS)动态生成:RANS解为DNS提供边界条件,而DNS则提供平均速度与湍流统计量,用于在模拟过程中更新DL封闭模型。该反馈机制使封闭模型能够自适应嵌入式DNS的目标流动,避免对预计算数据集的依赖,并提升分布外性能。该方法在随机受迫Burgers方程及$Re_\tau=180$、$270$、$395$和$590$的湍流槽道流中进行了验证,嵌入式域长度变化范围为$1\leq L_0/L\leq 8$。在线优化的RANS模型显著优于离线训练模型及文献中标定过的封闭模型,仅需中等规模的DNS子域即可实现精确训练。当边界条件污染效应占主导或计算域过短而无法捕捉低波数模态时,模型性能会出现下降。该框架为物理启发的机器学习封闭模型提供了可扩展的路径,使得数据自适应的降阶模型能够在无需大型预计算训练数据集的情况下,实现跨流动体系的泛化。

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