توصيفگر ها :
معادله انتقال - انتشار , يادگيري عميق , شبكههاي عصبي آگاه از فيزيك , PINN , حوضچهي تهنشيني
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
Prediction of particle transport and dispersion in treatment units and open channels, analysis of particle interactions with surfaces and baffles, and monitoring of processes affected by various environmental factors have always been key topics in environmental studies. Among these, the investigation of wastewater inflow into settling basins, determination of the optimal location of inlets and outlets, and the appropriate placement of bottom baffles to enhance solid particle sedimentation efficiency are of particular importance. In such cases, the advection-dispersion equation (ADE) is widely employed as the principal analytical framework for modeling these processes.
In this research, with the aim of accurately simulating the sedimentation process under two-dimensional flow conditions in settling basins, the numerical solution of the advection–dispersion equation was carried out using deep learning and the Physics-Informed Neural Network (PINN) approach. The modeling framework was implemented in Python using the powerful SciANN library. The influence of parameters such as inlet and outlet positions, location and height of the bottom baffle, flow discharge, and inlet concentration was investigated using both experimental measurements and analytical solutions in simplified (baffle-free) conditions. Experimental tests were conducted in several series on a pilot-scale settling basin. In these tests, the baseline condition (without baffle) was first evaluated, followed by scenarios with bottom baffles of varying heights and distances from the inlet.
The results demonstrated that the presence of a bottom baffle led to the breakup of the inlet jet, reduction of short-circuiting, and an increase in particle residence time. Based on the analysis of different experimental series, for the given basin dimensions, the optimal baffle height was found to be about 0.09–0.12 times the flow depth, and the optimal distance from the inlet was about 0.10–0.15 times the basin length. Comparison with the no-baffle condition showed a significant improvement in sedimentation efficiency, while the PINN model was able to accurately reproduce this trend and predict the two-dimensional flow behavior and suspended particle distribution in the basin. Moreover, comparison of the PINN outputs with the analytical solution of the ADE and the pilot-scale experimental data confirmed the strong consistency of results and the ability of the PINN to reliably represent the physical phenomena.
Overall, the findings of this study highlight that the application of PINNs, especially when combined with experimental data, can serve as a novel and powerful tool for accurate and cost-effective simulation of complex environmental processes such as particle sedimentation in settling basins.