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Temperature and pressure reconstruction in turbulent Rayleigh–Bénard convection by Lagrangian velocities using PINN

湍流 瑞利-贝纳德对流 拉格朗日 机械 对流 物理 经典力学 瑞利散射 瑞利数 自然对流 数学物理 光学
作者
Robin Barta,Marie-Christine Volk,Christian Bauer,Claus Wagner,Michael Mommert
出处
期刊:Measurement Science and Technology [IOP Publishing]
卷期号:36 (7): 075304-075304 被引量:3
标识
DOI:10.1088/1361-6501/adee38
摘要

Abstract Velocity, pressure, and temperature are the key variables for understanding thermal convection, and measuring them all is a complex task. In this paper, we demonstrate a method to reconstruct temperature and pressure fields based on given Lagrangian velocity data. A physics-informed neural network (PINN) based on a multilayer perceptron architecture and a periodic sine activation function is used to reconstruct both the temperature and the pressure for two cases of turbulent Rayleigh–Bénard convection (Pr = 6.9, Ra = 10 9 ). The first dataset is generated with direct numerical simulation (DNS) and it includes Lagrangian velocity data of 150 000 tracer particles. The second contains a PTV experiment with the same system parameters in a water-filled cubic cell, and we observed about 50 000 active particle tracks per time step with the open-source framework proPTV. A realistic temperature and pressure field could be reconstructed in both cases, which underlines the importance of PINNs also in the context of experimental data. In the case of the DNS, the reconstructed temperature and pressure fields show a 90% correlation over all particles when directly validated against the ground truth. Thus, the proposed method, in combination with particle tracking velocimetry, is able to provide velocity, temperature, and pressure fields in convective flows even in the hard turbulence regime. The PINN used in this paper is compatible with proPTV and is part of an open source project. It is available at https://github.com/DLR-AS-BOA/RBC-PINN .
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