Solute transport in porous media is relevant to a wide range of applications in hydrogeology, geothermal energy, underground CO2 storage, and a variety of chemical engineering systems. Due to the complexity of solute transport in heterogeneous porous media, traditional solvers require high resolution meshing and are therefore expensive computationally. This study explores the application of a mesh-free method based on deep learning to accelerate the simulation of solute transport. We employ Physics-informed Neural Networks (PiNN) to solve solute transport problems in homogeneous and heterogeneous porous media governed by the advection-dispersion equation. Unlike traditional neural networks that learn from large training datasets, PiNNs only leverage the strong form mathematical models to simultaneously solve for multiple dependent or independent field variables (e.g., pressure and solute concentration fields). In this study, we construct PiNN using a periodic activation function to better represent the complex physical signals (i.e., pressure) and their derivatives (i.e., velocity). Several case studies are designed with the intention of investigating the proposed PiNN's capability to handle different degrees of complexity. A manual hyperparameter tuning method is used to find the best PiNN architecture for each test case. Point-wise error and mean square error (MSE) measures are employed to assess the performance of PiNNs' predictions against the ground truth solutions obtained analytically or numerically using the finite element method. Our findings show that the predictions of PiNN are in good agreement with the ground truth solutions while reducing computational complexity and cost by, at least, three orders of magnitude.


翻译:渗漏介质的固化传输与水文地质学、地热能、地下二氧化碳储存和各种化学工程系统的广泛应用相关。由于溶液传输在多孔多采媒体中的复杂性,传统解决器需要高分辨率网格,因此计算成本很高。本项研究探索基于深层学习的无网格方法的应用,以加速溶液运输的模拟。我们使用物理信息化神经网络(PiNN)解决由平流分解方程式规范的同质和混杂的低质媒体中的溶液传输问题。与从大型培训数据集中学习的传统神经网络不同,PinNNP仅利用强型数学模型模型同时解决多个依赖或独立的外地变量(例如压力和溶液集中场),因此计算成本昂贵。在本项研究中,我们使用定期启动功能来更好地代表复杂的物理信号(即压力)及其衍生物(即速度)。一些案例研究旨在调查拟议的PinNNF系统从大型数据集中学会处理不同程度的最小形式数学模型模型,而采用最精确的计算方法则使用最精确的精确的计算方法。

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