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基于物理约束神经网络的窄矩形通道流场求解方法

张晓颖 袁德文 毕景良 黄彦平

张晓颖, 袁德文, 毕景良, 黄彦平. 基于物理约束神经网络的窄矩形通道流场求解方法[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 266-272. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080040
引用本文: 张晓颖, 袁德文, 毕景良, 黄彦平. 基于物理约束神经网络的窄矩形通道流场求解方法[J]. 核动力工程, 2025, 46(4): 266-272. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080040
Zhang Xiaoying, Yuan Dewen, Bi Jingliang, Huang Yanping. Solution Method of Flow Field in the Narrow Rectangular Channel Based on Physics-informed Neural Network[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 266-272. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080040
Citation: Zhang Xiaoying, Yuan Dewen, Bi Jingliang, Huang Yanping. Solution Method of Flow Field in the Narrow Rectangular Channel Based on Physics-informed Neural Network[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(4): 266-272. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080040

基于物理约束神经网络的窄矩形通道流场求解方法

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.080040
详细信息
    作者简介:

    张晓颖(1999—),男,研究实习员,硕士研究生,现从事热工水力研究,E-mail: zhangxy05@npic.ac.cn

  • 中图分类号: TL333

Solution Method of Flow Field in the Narrow Rectangular Channel Based on Physics-informed Neural Network

  • 摘要: 为了探索物理约束神经网络(PINN)在热工水力计算领域的应用潜力,本研究选取了窄矩形通道内层流和湍流状态下的多个工况,使用计算流体动力学(CFD)方法获得标签数据,并将连续性方程和Navier-Stokes方程(N-S方程)嵌入到神经网络模型中进行预测。研究结果表明,对于窄矩形通道内的不可压缩流动,PINN模型能够准确还原层流工况下的流场特点;湍流工况下可通过调整模型的损失项权重,使预测解与CFD数值解达到较好的一致性。因此,PINN模型能够应用于窄矩形通道的流场计算,并可进一步为更多场景下的流场快速分析积累经验。

     

  • 图  1  神经网络结构

    x1~x3—输入变量;y1~y3—输出变量。

    Figure  1.  Neural Network Structure

    图  2  计算域示意图

    Figure  2.  Computational Domain

    图  3  网格及节点图

    Figure  3.  Grid and Nodes

    图  4  PINN计算流程图

    Figure  4.  Computational Flowchart of PINN

    图  5  PINN预测结果和参考值对比

    Figure  5.  Comparison between PINN Predicted Value and Reference Value

    图  6  各物理量随y轴变化情况

    Figure  6.  Physical Variables Changes along y-Axis

    图  7  湍流工况中轴向速度Uy轴变化

    Figure  7.  Change of Velocity U along y-Axis in Turbulence Flow Condition

    图  8  引入自适应权重方法后轴向速度Uy轴变化

    Figure  8.  Change of Velocity U along y-Axis with Self-adaptive Weight Method

    表  1  PINN模型参数

    Table  1.   Parameters of PINN Model

    模型参数 设置
    网络层数 4~9
    每层神经元数 60~100
    激活函数 tanh
    初始学习率 0.001
    优化算法 Adam/L-BFGS
    下载: 导出CSV

    表  2  层流工况中各物理量误差平均值

    Table  2.   Average Value of Physical Variable Errors in Lamilar Flow Condition

    物理量 U V P
    MAE 8.03×10−2 9×10−4 1.42×10−2
    $ {\varepsilon } $/% 7.83 118.15 1.32
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-15
  • 修回日期:  2025-04-30
  • 刊出日期:  2025-08-15

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