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Temperature and pressure reconstruction in turbulent Rayleigh-Bénard convection by Lagrangian velocities using PINN

Barta, Robin und Volk, Marie-Christine und Bauer, Christian und Wagner, Claus und Mommert, Michael (2025) Temperature and pressure reconstruction in turbulent Rayleigh-Bénard convection by Lagrangian velocities using PINN. Measurement Science and Technology, Seiten 1-29. Institute of Physics (IOP) Publishing. doi: 10.1088/1361-6501/adee38. ISSN 0957-0233.

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Offizielle URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6501/adee38

Kurzfassung

Velocity, pressure, and temperature are the key variables for understand- ing thermal convection, and measuring them all is a complex task. In this paper, we demonstrate a method to reconstruct temperature and pressure fields based on given Lagrangian velocity data. A physics-informed neural network (PINN) based on a multilayer perceptron architecture and a periodic sine activation function is used to reconstruct both the temperature and the pressure for two cases of turbulent Rayleigh-B´enard convection (Pr = 6.9, Ra = 109). The first dataset is generated with DNS and it includes Lagrangian velocity data of 150000 tracer particles. The second contains a PTV experiment with the same system parameters in a water-filled cubic cell, and we observed about 50000 active particle tracks per time step with the open-source framework proPTV. A realistic temperature and pressure field could be reconstructed in both cases, which underlines the importance of PINNs also in the context of experimental data. In the case of the DNS, the reconstructed temperature and pressure fields show a 90% correlation over all particles when directly validated against the ground truth. Thus, the proposed method, in combination with particle tracking velocimetry, is able to provide velocity, temperature, and pressure fields in convective flows even in the hard turbulence regime. The PINN used in this paper is compatible with proPTV and is part of an open source project. It is available at https://github.com/DLR-AS-BOA/RBC-PINN

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/215233/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Temperature and pressure reconstruction in turbulent Rayleigh-Bénard convection by Lagrangian velocities using PINN
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Barta, RobinRobin.Barta (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-8882-5864188320853
Volk, Marie-ChristineMarie-Christine.Volk (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0003-8963-2724188320854
Bauer, ChristianChristian.Bauer (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1838-6194NICHT SPEZIFIZIERT
Wagner, ClausClaus.Wagner (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2273-0568NICHT SPEZIFIZIERT
Mommert, MichaelMichael.Mommert (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-7817-3388188320855
Datum:2025
Erschienen in:Measurement Science and Technology
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1088/1361-6501/adee38
Seitenbereich:Seiten 1-29
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
NICHT SPEZIFIZIERTIOP publishingNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:Institute of Physics (IOP) Publishing
ISSN:0957-0233
Status:veröffentlicht
Stichwörter:PINN, Rayleigh Benard convection, Particle Tracking Velocimetry
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HGF - Programm:Verkehr
HGF - Programmthema:Schienenverkehr
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DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):V - RoSto - Rolling Stock
Standort: Göttingen
Institute & Einrichtungen:Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik > Bodengebundene Fahrzeuge
Hinterlegt von: Barta, Robin
Hinterlegt am:21 Jul 2025 15:21
Letzte Änderung:25 Jul 2025 13:57

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