In this paper we present a new strategy to model the subgrid-scale scalar flux in a three-dimensional turbulent incompressible flow using physics-informed neural networks (NNs). When trained from direct numerical simulation (DNS) data, state-of-the-art neural networks, such as convolutional neural networks, may not preserve well known physical priors, which may in turn question their application to real case-studies. To address this issue, we investigate hard and soft constraints into the model based on classical invariances and symmetries derived from physical laws. From simulation-based experiments, we show that the proposed physically-invariant NN model outperforms both purely data-driven ones as well as parametric state-of-the-art subgrid-scale model. The considered invariances are regarded as regularizers on physical metrics during the a priori evaluation and constrain the distribution tails of the predicted subgrid-scale term to be closer to the DNS. They also increase the stability and performance of the model when used as a surrogate during a large-eddy simulation. Moreover, the physically-invariant NN is shown to generalize to configurations that have not been seen during the training phase.


翻译:在本文中,我们提出了一个新战略,用物理信息化神经网络(NNs)来模拟三维动荡压缩流中的亚格丽格规模天际通量。当通过直接数字模拟(DNS)数据培训时,最先进的神经网络,如进化神经网络,可能不会保留众所周知的物理前科,而这种前科反过来又会质疑其对真实案例研究的应用。为了解决这一问题,我们调查基于传统差异和物理法的对称的模型中硬和软限制。从模拟实验中,我们显示拟议的物理变异NNN模型既优于纯数据驱动的模型,也优于准状态的亚格度模型。在前期评估中,所考虑的变异性被视为物理矩阵的规范,限制预测的亚格度术语的分布尾巴,使之更接近DNS。从模拟实验中发现,在大规模变异性模拟期间,模型的稳定性和性模型的性能都未显示为普通变式模型。此外,在一般变式模拟期间所展示的物理变式模拟期间,这种变异性也是不见的。

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