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Título: Exploring the potential of physics-informed neural networks (PINN) in two-dimensional Couette-Poiseuille flow of newtonian and Bingham fluids
Título(s) alternativo(s): Explorando o potencial das redes neurais informadas por física (PINN) para escoamentos bidimensionais de Couette-Poiseuille em fluidos newtonianos e de Bingham
Autor(es): Matuchaki, Gyovanne Zanetti
Orientador(es): Franco, Admilson Teixeira
Palavras-chave: Redes neurais (Computação)
Aprendizado do computador
Equações diferenciais parciais
Fluidodinâmica computacional
Escoamento bifásico
Fluidos newtonianos
Método dos elementos finitos
Estabilidade
Neural networks (Computer science)
Machine learning
Differential equations, Partial
Computational fluid dynamics
Two-phase flow
Newtonian fluids
Finite element method
Stability
Data do documento: 12-Ago-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: MATUCHAKI, Gyovanne Zanetti. Exploring the potential of physics-informed neural networks (PINN) on two-dimensional Couette-Poiseuille flow of newtonian and Bingham fluids. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.
Resumo: Este estudo teve como objetivo desenvolver, validar e analisar o desempenho de técnicas de aprendizado de máquina (ML) baseadas em redes neurais artificiais (ANNs), com foco em PhysicsInformed Neural Networks (PINNs): uma abordagem para aproximar soluções de equações diferenciais parciais (EDPs) por meio do treinamento de uma função neural parametrizada candidata a fim de minimizar os resíduos das equações governantes e das condições de contorno/iniciais, sem requerer dados rotulados. As PINNs destacam-se por eliminar a necessidade de discretização em malha, de conjuntos de dados experimentais, de softwares específicos de domínio e, ainda, por permitirem extrapolação além da região de treinamento, posicionando-se como alternativa promissora aos métodos numéricos tradicionais. Neste trabalho, investigou-se o escoamento Couette–Poiseuille de fluidos Newtonianos e de Bingham, configuração relevante a diversos contextos industriais, particularmente em engenharia de perfuração e transporte de fluidos. O estudo foi estruturado em duas etapas de modelagem PINN: um modelo-base exploratório inicial e um modelo final refinado. Para fluidos Newtonianos, o modelo final demonstrou alta acurácia na reconstrução dos campos de velocidade e pressão, respeitando rigorosamente as condições de contorno impostas e apresentando excelente concordância com soluções de referência obtidas pelo Método dos Volumes Finitos (FVM) e, quando disponível, com a solução exata. Em contraste, para fluidos de Bingham, os resultados evidenciaram limitações da abordagem ao lidar com não linearidades mais fortes e descontinuidades internas típicas de fluidos com tensão de escoamento, mesmo com a aplicação da regularização de Papanastasiou. Nesses casos, observou-se aumento significativo do erro e perda de coerência física, incluindo colapso parcial ou inversão dos campos previstos de velocidade e pressão. Apesar dessas dificuldades, as PINNs mostraram-se estruturalmente robustas, mantendo características-chave como simetria, tendências gerais e atendimento parcial às condições de contorno mesmo sob regimes críticos do escoamento. Este trabalho adotou a formulação clássica de PINNs, sem incorporar balanceamento adaptativo de perdas, decomposição de domínio, restrições rígidas (hard constraints) ou outras técnicas avançadas, dadas limitações impostas pelas capacidades da biblioteca utilizada, DeepXDE. Ainda assim, os resultados forneceram percepções valiosas sobre os principais desafios associados à aplicação de PINNs a problemas com geometrias simples, porém comportamento reológico complexo.
Abstract: This study aimed to develop, validate, and analyze the performance of machine learning (ML) techniques based on artificial neural networks (ANNs), with a focus on Physics-Informed Neural Networks (PINNs): An approach to approximate partial differential equations (PDE) solutions by training a neural ansatz to minimize the residuals of the governing equations and boundary/initial conditions, without requiring labeled data. PINNs stand out by eliminating the need for mesh discretization, experimental datasets, domain-specific software, and even allowing for extrapolation beyond the training region, positioning themselves as a promising alternative to traditional numerical methods.In this work, the Couette–Poiseuille flow of Newtonian and Bingham fluids was investigated, a configuration relevant to various industrial contexts, particularly in drilling engineering and fluid transport. The study was structured around two PINN model stages: an initial exploratory base model and a final refined model. For Newtonian fluids, the final model demonstrated high accuracy in reconstructing the velocity and pressure fields, rigorously respecting the imposed boundary conditions and showing excellent agreement with reference solutions obtained by the Finite Volume Method (FVM) and, when available, exact solution. In contrast, for Bingham fluids, the results revealed the limitations of the approach in dealing with stronger nonlinearities and internal discontinuities typical of yield-stress fluids, even when applying Papanastasiou’s regularization. In such cases, a significant increase in error and loss of physical coherence was observed, including partial collapse or inversion of the predicted velocity and pressure fields. Despite these difficulties, the PINNs proved structurally robust, maintaining key features such as flow symmetry, general flow trends, and partial compliance with boundary conditions even under critical regimes. This work adopted the classical PINN formulation, without incorporating adaptive loss balancing, domain decomposition, hard constraints, or other advanced techniques, limitations imposed by the capabilities of the library used, DeepXDE. Nevertheless, the results provided valuable insights into the main challenges associated with applying PINNs to problems with simple geometries but complex rheological behavior.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39203
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