عنوان
حل معادله انتقال – انتشار در مسائل محيط زيست با استفاده از يادگيري عميق و رويكرد مبتني بر شبكه‌هاي عصبي آگاه از فيزيك
نويسنده اصلي
حيدري، علي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
رشته تحصيلي
مهندسي عمران
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
چكيده
پيش‌بيني نحوه پخش و انتقال ذرات در واحدهاي مختلف تصفيه‌خانه‌ها و كانال‌ها، تحليل حركت ذرات در مواجهه با سطوح و موانع و پايش فرايندهاي مؤثر بر آن‌ها تحت‌تأثير عوامل مختلف، همواره از جمله موضوعات اساسي در مطالعات محيط‌زيستي بوده است. در اين ميان، بررسي ورود جريان پساب به حوضچه‌هاي ته‌نشيني، تعيين محل بهينه ورودي و خروجي و جانمايي مناسب موانع در كف حوضچه‌ها به‌منظور افزايش بازده ته‌نشيني ذرات جامد، اهميت ويژه‌اي دارد. در چنين شرايطي، معادله انتقال - انتشار به‌عنوان ابزار تحليلي اصلي در مدل‌سازي اين پديده‌ها مورداستفاده قرار مي‌گيرد. در اين پژوهش، باهدف شبيه‌سازي دقيق فرايند ته‌نشيني در شرايط جريان دوبعدي در حوضچه‌هاي ته‌نشيني، حل عددي معادله انتقال - انتشار با بهره‌گيري از يادگيري عميق و رويكرد مبتني بر شبكه‌هاي عصبي آگاه از فيزيك انجام‌گرفته است. مدل‌سازي با بهره‌گيري از روش PINN در محيط نرم‌افزار پايتون و بسته قدرتمند SciANN پياده‌سازي شد. تأثير پارامترهايي نظير موقعيت ورودي و خروجي جريان، محل و ارتفاع مانع در كف حوضچه، دبي جريان و غلظت ورودي با استفاده از داده‌هاي آزمايشگاهي و نتايج حاصل از حل تحليلي در شرايط ساده (فاقد مانع)، موردبررسي قرار گرفت. آزمايش‌هاي عملي اين پژوهش در چندين سري بر روي يك حوضچه‌ي ته‌نشيني پايلوت انجام شد. در اين آزمايش‌ها، ابتدا حالت پايه‌ي حوضچه بدون مانع بررسي گرديد و سپس موانع كف با ارتفاع‌ها و فواصل مختلف در نزديكي ورودي جانمايي شدند. نتايج نشان داد كه وجود مانع موجب شكست جت ورودي، كاهش جريان ميان‌بُر و افزايش زمان ماند ذرات شد. با تحليل سري‌هاي مختلف آزمايش، براي اين حوضچه با ابعاد مشخص و ثابت، ارتفاع بهينه‌ي مانع 09/0 تا 12/0 برابر عمق جريان و فاصله‌ي بهينه آن 10/0 تا 15/0 طول حوضچه از ورودي پيشنهاد مي‌شود. مقايسه نتايج باحالت فاقد مانع نشان داد كه راندمان ته‌نشيني در شرايط بهينه‌شده به طور محسوسي افزايش‌يافته و مدل PINN نيز توانست اين روند را بادقت بالا بازنمايي كند و رفتار جريان دوبعدي و توزيع ذرات معلق را در حوضچه ته‌نشيني پيش‌بيني نمايد. مقايسه‌ي خروجي مدل با حل تحليلي معادله‌ي انتقال – انتشار و داده‌هاي آزمايشگاهي پايلوت، بيانگر تطابق مطلوب نتايج و توانايي PINN در بازنمايي صحيح پديده‌هاي فيزيكي است. اين روش نه‌تنها روند تغييرات غلظت را در راستاهاي طولي و عرضي با خطاي اندك بازسازي كرد، بلكه امكان شناسايي سه مرحله‌ي اصلي فرايند (غلبه‌ي انتشار در زمان‌هاي اوليه، رقابت بين انتشار و جابه‌جايي در زمان‌هاي مياني و غلبه‌ي جابه‌جايي در زمان‌هاي طولاني) را نيز فراهم ساخت.
در مجموع، يافته‌هاي اين پژوهش بيانگر آن است كه به‌كارگيري PINN، به‌ويژه در كنار داده‌هاي آزمايشگاهي، مي‌تواند به‌عنوان ابزاري نوين و قدرتمند براي شبيه‌سازي دقيق و كم‌هزينه‌ي فرايندهاي پيچيده‌ي محيط‌زيستي مانند ته‌نشيني ذرات مورداستفاده قرار گيرد.
شماره ركورد
235667
گرايش رشته تحصيلي
مهندسي محيط زيست
دانشكده
مهندسي عمران
دانشگاه
دانشگاه صنعتي اصفهان