Physics-Informed Fully Convolutional Networks for Forward Prediction of Temperature Field and Inverse Estimation of Thermal Diffusivity

热扩散率 领域(数学) 反向 估计 热的 反问题 卷积神经网络 估计理论 统计物理学 物理 人工智能 算法 计算机科学 数学 工程类 数学分析 热力学 系统工程 几何学 纯数学
作者
Tong Zhu,Qiye Zheng,Yanglong Lu
出处
期刊:Journal of Computing and Information Science in Engineering [ASM International]
卷期号:: 1-28 被引量:1
标识
DOI:10.1115/1.4064555
摘要

Abstract Physics-informed neural networks (PINNs) are a novel approach to solving partial differential equations (PDEs) through deep learning. They offer a unified manner for solving forward and inverse problems, which is beneficial for various engineering problems, including heat transfer analysis. However, traditional PINNs suffer from low accuracy and efficiency due to the fully-connected neural network framework and the method to incorporate physical laws. In this paper, a novel physics-informed learning architecture, named physics-informed fully convolutional networks (PIFCNs), is developed to simultaneously solve forward and inverse problems in thermal conduction. The use of fully convolutional networks significantly reduces the density of connections. Thus, the computational cost is reduced. With the advantage of the nodal-level match between inputs and outputs in FCNs, the output solution can be used directly to formulate discretized PDEs via a finite difference method, which is more accurate and efficient than the traditional approach in PINNs. The results demonstrate that PIFCNs can flexibly implement Dirichlet and Neumann boundary conditions to predict temperature distribution. Remarkably, PIFCNs can also estimate unknown thermal diffusivity with an accuracy exceeding 99%, even with incomplete boundaries and limited sampling data. The results obtained from PIFCNs outperform those obtained from PINNs.
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