Physics-informed neural networks for advection–diffusion–Langmuir adsorption processes

物理 平流 朗缪尔 扩散 人工神经网络 统计物理学 吸附 热力学 物理化学 人工智能 计算机科学 化学
作者
Bo Huang,Haobo Hua,Huan Han,S. He,Yuanye Zhou,Shuhong Liu,Zhigang Zuo
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (8) 被引量:2
标识
DOI:10.1063/5.0221924
摘要

Advection–diffusion–Langmuir adsorption (ADLA) presents a complex problem in chemical engineering and biomedicine fields. This transport phenomenon can be described by the advection–diffusion–reaction (ADR) equations, which traditionally require intensive computational load at extreme conditions. In this paper, physics-informed neural networks (PINNs) are applied to solve the ADR equations due to their mesh-free and computationally efficient nature. Six cases are examined, including both diffusion-dominated and advection-dominated cases with varying Péclet numbers Pe and aspect ratios λ. To ensure stability and efficiency during training with the Adam optimizer, the gradients of the loss function are analyzed. Key gradient terms causing instability are identified, leading to recommendations for lower weights for these gradient terms. The validation results show that compared to the finite difference method, PINN achieves a concentration field error within 10% and an average adsorption amount error within 7.2% for diffusion-dominated cases. For advection-dominated cases, the errors are within 20% and 2.5%, respectively. In conclusion, PINNs can offer an efficient and accurate technique for solving ADR equations.
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