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Permeability estimation for deformable porous media with convolutional neural network

格子Boltzmann方法 卷积神经网络 多孔介质 磁导率 有限元法 计算机科学 人工神经网络 流体力学 试验装置 人工智能 材料科学 机械 算法 多孔性 物理 热力学 复合材料 生物 遗传学
作者
Kunpeng Shi,Guodong Jin,Weichao Yan,Huilin Xing
出处
期刊:International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow [Emerald Publishing Limited]
卷期号:34 (8): 2943-2962 被引量:4
标识
DOI:10.1108/hff-10-2023-0644
摘要

Purpose Accurately evaluating fluid flow behaviors and determining permeability for deforming porous media is time-consuming and remains challenging. This paper aims to propose a novel machine-learning method for the rapid estimation of permeability of porous media at different deformation stages constrained by hydro-mechanical coupling analysis. Design/methodology/approach A convolutional neural network (CNN) is proposed in this paper, which is guided by the results of finite element coupling analysis of equilibrium equation for mechanical deformation and Boltzmann equation for fluid dynamics during the hydro-mechanical coupling process [denoted as Finite element lattice Boltzmann model (FELBM) in this paper]. The FELBM ensures the Lattice Boltzmann analysis of coupled fluid flow with an unstructured mesh, which varies with the corresponding nodal displacement resulting from mechanical deformation. It provides reliable label data for permeability estimation at different stages using CNN. Findings The proposed CNN can rapidly and accurately estimate the permeability of deformable porous media, significantly reducing processing time. The application studies demonstrate high accuracy in predicting the permeability of deformable porous media for both the test and validation sets. The corresponding correlation coefficients ( R 2 ) is 0.93 for the validation set, and the R 2 for the test set A and test set B are 0.93 and 0.94, respectively. Originality/value This study proposes an innovative approach with the CNN to rapidly estimate permeability in porous media under dynamic deformations, guided by FELBM coupling analysis. The fast and accurate performance of CNN underscores its promising potential for future applications.
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