Kinetic approaches are generally accurate in dealing with microscale plasma physics problems but are computationally expensive for large-scale or multiscale systems. One of the long-standing problems in plasma physics is the integration of kinetic physics into fluid models, which is often achieved through sophisticated analytical closure terms. In this study, we successfully construct a multi-moment fluid model with an implicit fluid closure included in the neural network using machine learning. The multi-moment fluid model is trained with a small fraction of sparsely sampled data from kinetic simulations of Landau damping, using the physics-informed neural network (PINN) and the gradient-enhanced physics-informed neural network (gPINN). The multi-moment fluid model constructed using either PINN or gPINN reproduces the time evolution of the electric field energy, including its damping rate, and the plasma dynamics from the kinetic simulations. For the first time, we introduce a new variant of the gPINN architecture, namely, gPINN$p$ to capture the Landau damping process. Instead of including the gradients of all the equation residuals, gPINN$p$ only adds the gradient of the pressure equation residual as one additional constraint. Among the three approaches, the gPINN$p$-constructed multi-moment fluid model offers the most accurate results. This work sheds new light on the accurate and efficient modeling of large-scale systems, which can be extended to complex multiscale laboratory, space, and astrophysical plasma physics problems.


翻译:离子物理的长期问题之一是将动能物理学纳入流体模型,这往往是通过复杂的分析封闭条件实现的。在这项研究中,我们成功地建立了一个多移动流体模型,在神经网络中采用机器学习,包括隐含的液体封闭。多移动流体模型在培训中采用了少量来自Landau悬浮动动能模拟的稀释抽样数据,即GPINN$,以捕捉Landau悬浮模型的模型结构,使用物理知情神经网络(PINN)和梯度加固物理知情神经网络(GPINN),长期存在的问题之一是将动能物理物理强化神经网络(GPINN)纳入流体模型,而利用PINN或GPINNN建立多移动流体模型模型模型,包括电力网络中的隐含液体关闭率,以及动能模拟中的等离子体动态。我们第一次引入了GPINNE模型结构的新变式模型,即GPINP$,以捕捉摸Landau断过程。而不是将所有等式精度精度精度精度残余的渐渐变,GPNPNNNNNNNNN,而只是将高压的精度的精度系统作为高压的精度再增加的硬度系统,而增加的硬度的基质的硬度系统,只能制,只能制。

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