توقع التوزيع الحراري في زعنفة متموجة متحركة باستخدام طريقة جديدة لتدريب الشبكات العصبية المستنيرة بالفيزياء Predicting the thermal distribution in a convective wavy fin using a novel training physics-informed neural network method

المجلة: Scientific Reports، المجلد: 14، العدد: 1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-57772-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38528081
تاريخ النشر: 2024-03-25

افتح

توقع التوزيع الحراري في زعنفة متموجة متحركة باستخدام طريقة جديدة لتدريب الشبكات العصبية المستنيرة بالفيزياء

ك. تشاندان , رانيا سعدة , أحمد قزة , ك. كارتك , ر. س. فارون كومار , ر. نافين كومار , عمير خان , عاطف مسعودي , م. مدثر م. عبدو , والتر أوجوك & رامان كومار

الملخص

تستخدم الزعانف على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الصناعية، بما في ذلك المبادلات الحرارية. تستفيد من تكلفة تصميم اقتصادية نسبياً، وهي خفيفة الوزن، وصغيرة الحجم جداً. وبالتالي، تبحث هذه الدراسة في تأثير هيكل الزعنفة المتموجة المعرضة لتأثيرات الحمل الحراري مع توليد حرارة داخلية. يتم وصف توزيع الحرارة، الذي يعتبر حالة مستقرة في بعد واحد، من خلال تنفيذ فريد لشبكة عصبية مستنيرة بالفيزياء (PINN) كجزء من استراتيجيات الذكاء الاصطناعي لتحليل انتقال الحرارة في زعنفة متموجة متدفقة. تستكشف هذه الأبحاث الجديدة استخدام PINNs لفحص تأثير عدم خطية معادلة الحرارة وظروف الحدود من خلال تغيير المعلمات الفائقة للهندسة. يتم تقليل المعادلة التفاضلية العادية غير الخطية (ODE) المتعلقة بانتقال الحرارة إلى شكل غير بعدي باستخدام المتغيرات غير البعدية لتبسيط المشكلة. علاوة على ذلك، يتم تنفيذ طريقة رانج-كوتا فيلبيرغ من الرتبة الرابعة والخامسة (RKF-45) لتقييم المعادلات المبسطة عددياً. للتنبؤ بخصائص انتقال الحرارة في الزعنفة المتموجة، تم إنشاء نموذج متقدم للشبكة العصبية دون استخدام نهج تقليدي قائم على البيانات، مع القدرة على حل ODEs بشكل صريح من خلال دمج دالة خسارة تعتمد على متوسط مربع الخطأ. تكشف النتائج التي تم الحصول عليها أن زيادة متغير الموصلية الحرارية تزيد من توزيع الحرارة. في المقابل، يتسبب انخفاض في ملف درجة الحرارة بسبب الزيادة في قيم المتغيرات الموصلة-الحمل.

الكلمات الرئيسية: انتقال الحرارة، زعنفة، زعنفة متموجة، توليد حرارة داخلية، شبكات عصبية مستنيرة بالفيزياء

قائمة الرموز

طول الزعنفة
المسافة المحورية للزعنفة
ثابت الأس
نسبة أبعاد ملف الزعنفة
Nc معامل الحمل-التوصيل
طول الزعنفة (غير بعدي)
سعة الموجة غير البعدية
معامل توليد الحرارة الداخلي (غير بعدي)
إزاحة طور الموجة السطحية
درجة الحرارة المحيطة
معامل الموصلية الحرارية
معدل توليد الحرارة الداخلي (غير بعدي)
الطول الكلي للقوس الزعنفة المتموجة
معامل توليد الحرارة
درجة الحرارة عند قاعدة الزعنفة
نصف ارتفاع قاعدة الزعنفة
توليد الحرارة
عدد الموجات
مساحة سطح الزعنفة
درجة الحرارة غير البعدية
ك الموصلية الحرارية
H نصف ارتفاع الزعنفة
معامل انتقال الحرارة المتدفقة
مساحة المقطع العرضي للزعنفة
T درجة الحرارة
عرض الزعنفة
معامل تغير الموصلية الحرارية

الرمز الفرعي

أ درجة الحرارة المحيطةب القاعدة

نقل الطاقة الحرارية (الحرارة) عبر الهياكل الفيزيائية هو التركيز الرئيسي في مجال الهندسة الميكانيكية لانتقال الحرارة. يمكن تصنيف طرق انتقال الحرارة إلى الحمل، الإشعاع، التوصيل، ونقل الطاقة التي تشمل التحولات الطورية. بسبب الزيادة الهائلة في استهلاك الطاقة العالمي، أصبح تحسين انتقال الحرارة واحدة من أصعب المهام المتعلقة بتوفير الطاقة في الحياة اليومية. لقد جذبت تحسينات معدل نقل الحرارة السائل اهتمام العلماء والمهندسين بسبب تطبيقاتها الواسعة والعملية في القطاعات الطبية والصناعية والتكنولوجية. يتمتع نقل الحرارة عبر السوائل النانوية بمجموعة واسعة من التطبيقات في العلوم الهندسية والميكانيكية، التحليل الكيميائي، والقطاعات البيولوجية مثل تسخين المياه بالطاقة الشمسية، تبريد البوليمرات لرقائق الميكرو، المبادلات الحرارية، مواد العزل في معالجة الطعام، أنابيب الحرارة، تصنيع الزجاج، تسييل الطاقة الشمسية، المكابح الهيدروليكية، واستخراج الطاقة الحرارية الجوفية. نتيجة لهذه التطبيقات العديدة، قام العديد من العلماء بدراسة تأثير انتقال الحرارة على عدة ظروف تدفق. استكشف براسانا كومار وآخرون. الجوانب الإشعاعية لنقل الحرارة في السائل النانوي عبر ورقة مرنة. تم مناقشة نقل الحرارة المتدفقة في تدفق سائل مغبر عبر سطح ممتد من قبل براسانا كومار وآخرون. مع تأثير القوة المغناطيسية. اعتبر محمد وآخرون. المواد النانوية الكربونية لفحص خصائص نقل الحرارة للسائل النانوي في الوسط المسامي. ناقش شاشيكومار وآخرون. ميزات نقل الحرارة في تدفق القناة الدقيقة باستخدام أنابيب الكربون النانوية. فحص سويا وآخرون. سلوك انتقال الحرارة للسائل النانوي المغبر مع تأثير الإشعاع الحراري. تم مناقشة تأثير التسخين المتدفق على نقل الحرارة الإشعاعي للسائل من قبل مدهو وآخرون. وشاشيكومار وآخرون. باستخدام قناة دقيقة مائلة. اعتبر ريسات وآخرون. تأثير المجال المغناطيسي لتحليل جوانب نقل الحرارة في تدفق السائل النانوي. استقصى شاشيكومار وآخرون. ومدهو وآخرون. دور القوة المغناطيسية على آلية انتقال الحرارة والسائل المتدفق عبر القناة الدقيقة. أبلغ شاشيكومار وآخرون. تأثير حدود التسخين المتدفق على تدفق ونقل الحرارة للسائل في القناة الدقيقة. تم فحص نقل وتعزيز حرارة السائل النانوي من خلال اعتبار تدفقه عبر هندسة ممتدة ومجهرية وتقديم الوصف الرياضي . مؤخراً، تم تحليل جوانب نقل الحرارة الإشعاعي للسائل عبر قناة دقيقة من قبل شاشيكومار وآخرون. ومدهو وآخرون. وصف راميش وآخرون. تحليل انتقال الحرارة للسائل النانوي الهجين البيومغناطيسي عبر إبرة رقيقة مسامية. قام السليماني وآخرون. بإجراء تحقيق في انتقال الحرارة لتدفق السائل النانوي غير النيوتوني عبر وسط مسامي. استقصى الهويدي وآخرون. نقل الحرارة للسائل النانوي المتدفق عبر ورقة متحركة باستخدام نموذج غير فوري. في السنوات الأخيرة، قام العديد من المؤلفين بتحليل نقل الحرارة لتدفق السائل مع جوانب ترسيب الحرارة، المجال المغناطيسي، مبرد/مصدر حراري، والإشعاع الحراري . إن التحقيق في الكفاءة الحرارية للزعانف كاستراتيجية سلبية لتحسين تبديد الحرارة من الأسطح الرئيسية الساخنة يتلقى حالياً الكثير من الاهتمام في المجتمع العلمي. يزيد استخدام الزعانف من مساحة انتقال الحرارة الفعالة ويقلل من درجة حرارة السطح القاعدي لحمولة حرارية معينة ومعامل انتقال الحرارة. يتم استغلال الزعانف على نطاق واسع في بعض التطبيقات التصنيعية، بما في ذلك تكييف الهواء، أنابيب نقل النفط، وتبريد معالجات الكمبيوتر. فحص مادورا وآخرون. أداء درجة الحرارة للسطح الممتد القابل للاختراق مع تأثير الإشعاع. تمت دراسة تأثير الانبعاث السطحي على الزعنفة المتدفقة من قبل أبو خالد وخوري مع موصلية حرارية متغيرة. ناقش ساروي وكولكارني أداء درجة الحرارة للسطح الممتد الحلقي مع موصلية حرارية متغيرة. استقصى وانغ وشي نقل الحرارة في السطح الممتد المتدفق مع موصلية حرارية متغيرة. باستخدام نهج التداخل، ناقش كومار وآخرون. تحليل نقل الحرارة في السطح الممتد نصف الكروي مع موصلية حرارية متغيرة.
قد تساعد شكل السطح أيضًا في تقليل مقاومة الجانب الهوائي بالإضافة إلى زيادة سطح الزعنفة، وتعتبر الزعانف المتموجة واحدة من أكثر التقنيات شعبية لزيادة الجانب الهوائي. تعمل الزعانف المتموجة على تحسين كفاءة انتقال الحرارة من خلال
إطالة مسار التدفق، وتعزيز مساحة سطح نقل الحرارة، وإنشاء تجاعيد فعالة تسبب دوامات لخلط الهواء البارد. يسمح الشكل المستمر للزعانف المتموجة بالعمل المستمر لتحمل الظروف المحيطة غير المواتية، حتى لو كان انتقال الحرارة للزعانف المتموجة أقل من الأسطح المتقطعة مثل الزعانف ذات الشفرات أو الشقوق. أبلغ ليو وآخرون. عن تحسين نقل الحرارة في مبادلات الحرارة ذات الزعانف المتموجة المستخدمة في الصناعات التبريد. تم فحص الخصائص الحرارية الهيدروليكية لسطح ممتد متموج ونظام تبادل أنابيب مع مولدات مقعرة من قبل سونغ وآخرون. تم التحقيق في خصائص نقل الحرارة للزعانف المتموجة المسامية من قبل كومار وآخرون. باستخدام مخطط التعلم الآلي. شارما وآخرون. درسوا نظام تخزين الحرارة المركّز من نوع الأنبوب مع أنماط زعانف متموجة. تم استخدام مخطط شبكة عصبية اصطناعية من قبل كومار وآخرون. لدراسة توزيع الحرارة ونقل الحرارة في زعنفة متموجة. يتم إنتاج الحرارة الداخلية في النظام أثناء التوصيل في العديد من التطبيقات الهندسية. على سبيل المثال، يتم توليد الحرارة عندما تتدفق الكهرباء من خط كهربائي. يتم إنتاج الحرارة في المفاعلات النووية نتيجة لامتصاص النيوترونات. تستخدم العديد من التطبيقات الصناعية، بما في ذلك أسطوانات الطائرات المبردة بالهواء، ومحركات الطائرات النفاثة، والمنتجات الإلكترونية، وما إلى ذلك، الزعانف في ظروف الحالة غير المستقرة. يمكن أن تولد زعانف المعدات الإلكترونية حرارة. من الممكن توليد الحرارة داخل المفاعلات النووية مع الزعانف. يعد التحقيق في توليد الحرارة في الزعانف أمرًا حيويًا بسبب تطبيقاتها المتنوعة. درس داس وكندو تأثير توليد الحرارة على الزعنفة القابلة للاختراق شعاعيًا. تم فحص الخصائص الحرارية للزعانف المسامية المتدفقة مع إنتاج الحرارة الداخلية من قبل دين وآخرون. تم تحليل خصائص نقل الحرارة للسطح الممتد القابل للاختراق الذي يتضمن توليد الحرارة الداخلية من قبل فينكيتيش وماليك تم تقييم تأثير توليد الحرارة وموصلية الحرارة المتغيرة على الزعنفة الإشعاعية من قبل كاور وسينغ تم استخدام نهج تحويل سمودو من قبل جيريشا وآخرون. لدراسة تحليل نقل الحرارة في سطح ممتد قابل للاختراق. يظهر نموذج جديد يعرف باسم الشبكات العصبية المستنيرة بالفيزياء (PINNs) في العلاقة بين الفيزياء والذكاء الاصطناعي. إنها سيناريو حيث يمكن للآلات فهم القوانين الفيزيائية التي تحكم نظامًا ما وإعادة إنتاج البيانات. تقدم هذه الاستراتيجية المبتكرة لمحة عن مستقبل الذكاء الاصطناعي ولها القدرة على تحويل تصميم الهندسة والبحث العلمي. تم تقديم Stiff-PINN، وهو شبكة عصبية مستوحاة من الفيزياء لمعالجة الحركيات الكيميائية الصعبة، من قبل جي وآخرون. يتناول الصعوبات في تطبيق PINN على أنظمة ODE الصعبة وكيف يمكن أن تساعد فرضية الحالة شبه المستقرة في تقليل الصلابة وجعل PINN ناجحًا. يتم مقارنة أداء PINN التقليدي وStiff-PINN في حل نظامين حركيين صعبين كلاسيكيين في هذا العمل. يناقش هذا أيضًا بعض الصعوبات التي تم مواجهتها أثناء إجراء هذا البحث والتي قد تكون بمثابة خارطة طريق للتقدمات المستقبلية. يتم تقديم PINN كتمثيل لمحاكاة سيناريوهات عدوى COVID-19 والاستشفاء من قبل بيركهام وإيرهاردت يتضمن دمج معدلات التطعيم وزيادة قابلية انتقال SARS-CoV-2 وطرائفه باستخدام نموذج SIR الموسع. يستخدم PINN نهجًا مدفوعًا بالبيانات مع نظام ODE مبني ليأخذ في الاعتبار القوانين الفيزيائية ويحسب معدل النقل بناءً على البيانات المتاحة حاليًا في ألمانيا. اقترح تشيو وآخرون. تقنية جديدة تُسمى CAN-PINN، وهي شبكة عصبية سريعة تعتمد على التفاضل العددي التلقائي المترابط. لضمان أن النتائج تتماشى مع قوانين الفيزياء، يقدم المؤلفون طرقًا فريدة للتدريب العملي بدقة متزايدة. لتسريع تدريب PINN، يقدمون مبادئ تفاضل عددي تكميلي ويربطون نقاط الدعم القريبة. استخدم بارانيا وإسماعيلبور الشبكات العصبية المستندة إلى الفيزياء لحل مشاكل تتعلق بطبقة الحدود اللزجة والحرارية. تم بناء النماذج وتدريبها باستخدام TensorFlow، وتمت مقارنة النتائج مع تلك التي تم الحصول عليها باستخدام طرق الفرق المحدود. نجحت الدراسة في استخدام النماذج لتقييم سمك طبقة الحدود وتؤكد تأثير عدد براندتل ومواقع الحدود على تعقيد الشبكة الضروري.
نقل الحرارة أمر حيوي لمختلف عمليات التصنيع والهندسة العلمية، وأنظمة تبريد إلكترونية، وعمليات صناعية متنوعة تتطلب إدارة حرارية دقيقة. بالإضافة إلى ذلك، أصبح دمج الزعانف ذات الأشكال المختلفة في عمليات المبادلات الحرارية أكثر شيوعًا بسبب أدائها الفعال من حيث التكلفة في تعزيز نقل الحرارة. تأتي خصوصية استخدام الشبكات العصبية المستنيرة بالفيزياء (PINN) في سياق تحليل نقل الحرارة في الزعانف المتموجة من قدرتها على دمج قوة التعلم الآلي مع المعرفة الفيزيائية الخاصة بالمجال بسلاسة. يتم دمج مزايا النمذجة التقليدية المستندة إلى الفيزياء مع قابلية التكيف وإمكانات التعلم للشبكات العصبية في PINN. يتم الحفاظ على المبادئ الأساسية التي توجه نقل الحرارة في الزعانف المتموجة مع السماح بتحليل أكثر صرامة مدفوعًا بالبيانات. يحتفظ PINN ببعض الشفافية مقارنةً بنماذج التعلم الآلي التقليدية، مما يجعل من السهل فهم الآليات والعوامل الأساسية من خلال تقديم رؤى قابلة للتفسير حول العمليات الفيزيائية المعنية في نقل الحرارة داخل الزعانف المتموجة. أيضًا، هناك عدد قليل جدًا من التحقيقات تتعامل مع الزعانف المتموجة وعدد أقل بكثير يتناول توليد الحرارة الداخلية في هياكل الزعانف المتموجة. هناك حاجة إلى دراسة شاملة لتأثيرات توليد الحرارة الداخلية على هياكل الزعانف المتموجة، نظرًا لأن هذه الهياكل تنقل الحرارة بشكل أكثر كفاءة من تصميمات الزعانف المستطيلة. مدفوعًا بهذه العوامل المهمة، تفحص الدراسة الحالية التغير الحراري في الزعنفة المتموجة المتدفقة مع عواقب توليد الحرارة الداخلية. علاوة على ذلك، يتم حل معادلة الطاقة المطورة التي تتضمن القوانين التي تحكمها الفيزياء من خلال تنفيذ PINN. تعتبر التقنية المطبقة اتجاهًا جديدًا في وصف الحل للنموذج المقترح للزعانف. يتم التحقق من صحة هذه التقنية من خلال مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها مع النتائج العددية باستخدام الرسوم البيانية والجداول.
تقدم الدراسة المقترحة رؤى مهمة بشأن:
  • معدلات نقل الحرارة المتدفقة والتقلبات الحرارية الديناميكية في الزعنفة المتموجة.
  • تأثير توليد الحرارة الداخلية على التغير الحراري للزعانف المتموجة.
  • حل نموذج نقل الحرارة المطور مع تطبيق PINN.
  • دقة PINN المطبقة في حل معادلات نقل الحرارة غير الخطية.

صياغة المشكلة

تم أخذ الزعنفة المتموجة ذات الشكل المستطيل (WFRS) بطول وعرض لإجراء التحليل الحراري. تم أخذ الاستنتاجات التالية بعين الاعتبار لتطوير التمثيل الرياضي للنظرية المفاهيمية الحالية:
  • يفترض أن الزعنفة تنقل الحرارة مع البيئة المحيطة التي لها درجة حرارة ثابتة من خلال الحمل الحراري.
  • يحدث نقل الحرارة من السطح الممتد إلى السائل المجاور في حالة مستقرة.
  • يفترض أن الموصلية الحرارية وتوليد الحرارة الداخلية ومعامل نقل الحرارة بالحمل تعتمد على درجة الحرارة.
  • يعتبر المحور السيني على طول الطول الكلي للزعانف، في البداية عند سطحها الأساسي.
  • مقاومة الحرارة عند نقطة التفاعل بين الزعنفة والجدار غير مهمة.
  • يتم اعتبار درجة حرارة السائل المجاور ودرجة حرارة قاعدة الزعنفة ثوابت.
  • نظرًا لأن سمك الزعنفة صغير بالنسبة للقياسات المتبقية، يمكن تقريب توزيع درجة الحرارة في الزعنفة كدالة تعتمد فقط على إحداثيات الطول.
تُظهر الميزات الخاصة بالنموذج المدروس بشكل تخطيطي في الشكل 1.
تم تصميم سطح الزعنفة بشكل متموج على طول محورها الطولي. تم تصميم هيكل الزعنفة المتموجة على شكل منحنى جيب مع (براكاش وآخرون. )
وتم تحديد المساحة المقطعية بواسطة (بورنيما وآخرون. )
وبالمثل، يتم إعطاء مساحة سطح الزعنفة بواسطة (بورنيما وآخرون. )
حيث .
علاوة على ذلك، يتم تمثيل الموصلية الحرارية وتوليد الحرارة الداخلية ومعامل نقل الحرارة بالحمل رياضيًا على النحو التالي
,
الشكل 1. التصوير الهندسي لزعانف متموجة.
حيث و تمثل درجة حرارة قاعدة الزعنفة، ونقل الحرارة بالحمل عند على التوالي.
بالنظر إلى الفرضيات المذكورة أعلاه، يتم التعبير عن المعادلة الحاكمة على النحو التالي (بورنيما وآخرون. ، خالد وراميش وآخرون. ):
مع استبدال التعبيرات الرياضية أعلاه (المعادلة (4))، يتم الحصول على المعادلة التالية
المعادلة الحاكمة (المعادلة (6)) مرتبطة بشروط الحدود في الطرفين الأيسر والأيمن، أي قاعدة وزاوية الشفرة. الطرف الأيسر هو شرط حدود ثابت، بينما يتم تطبيق شرط حدود معزول عند الطرف الأيمن. يتم تمثيل هذه الشروط رياضيًا كما يلي:
في قاعدة الزعنفة: ،
عند طرف الزعنفة:
من أجل البساطة والراحة، يتم تقديم عدة قيود بلا أبعاد على النحو التالي:
استخدام المتغيرات المناسبة التي تم تحديدها أعلاه، المعادلة (6) في الترتيب غير البُعدي هي كما يلي
شروط الحدود المحولة هي

الشبكات العصبية المدعومة بالفيزياء (PINNs)

تم استخدام الشبكات العصبية الاصطناعية في العديد من المجالات التقنية، وتستمر تنوع استخداماتها في الزيادة. وقد استخدم الباحثون مؤخرًا تقنيات الشبكات العصبية لتقييم مجموعة متنوعة من المعلمات الفيزيائية التي تؤثر على آليات نقل الحرارة. يمثل تطوير ونشر الشبكات العصبية المعتمدة على الفيزياء (PINNs) لحل معادلات انتقال الحرارة (ODEs/PDEs) ومشاكل مشابهة تغييرًا قياسيًا عن التقنيات التقليدية المعتمدة على المحاكاة العددية. يمكن أن تكون الشبكة العصبية المعتمدة على الفيزياء أداة فعالة لمحاكاة السيناريوهات ذات ظروف الحدود المتنوعة (BCs) في وقت قريب من الزمن الحقيقي بمجرد تدريبها. تعتبر هذه الطريقة أساسية في التصنيع، حيث تتطلب عدم اليقين في العمليات، مثل ظروف الحدود غير المعروفة، تقييمًا سريعًا وموثوقًا للمشاكل. إن التطبيق المحتمل للشبكات العصبية ذات الهيكل الكثيف كتمثيلات لحل ODEs، لا سيما في انتقال الحرارة، أصبح مجالًا مثيرًا ومهمًا للبحث. يتم عرض نموذج شبكة عصبية يوضح هذا المفهوم في الشكل 2. يظهر مفهوم هندسة الميزات كتكتيك حيوي ومناسب لتعزيز قدرة الشبكة على عكس المبادئ الفيزيائية الأساسية بدقة وإدخال دوال خسارة موجهة بالفيزياء. إن تشكيل خصائص الشبكة العصبية بعناية لتتناسب عن كثب مع التعبير العددي عن حل معادلة الحرارة هو عنصر حاسم. يتم تطوير الطبقة الرئيسية من بنية الشبكة العصبية بدقة من خلال دمج طبقتين تمهيديتين من الطبقات المخفية لتسريع العملية. تستخدم أولى هذه الطبقات التمهيدية المدخلات الموضعية وتفعل وحدة الخط المستقيم المعدلة (ReLU) بينما تطبق أوزانًا وقيمًا قابلة للتدريب. يتم إجراء مقارنة وتقييم دقيق لفعالية النماذج المعمارية المذكورة أعلاه خلال عملية التحقق التالية. بعد عملية بحث شاملة في الشبكة، تظهر تخطيط مع طبقتين مخفيتين تحتويان على 62 عقدة ومعدل تعلم قدره 1E-04 كالقيم المثلى.
الشكل 2. إجراء العمل لنموذج الشبكة العصبية المعتمد على الفيزياء.
من المهم، لكي يعمل الشبكة العصبية بشكل موثوق كما توفر المعادلة (11) تمثيلاً لمعادلة التفاضل العادية، أن تتوافق توقعاتها بدقة مع شروط الحدود المحددة كما هو موضح في المعادلتين (12) و(13)، اللتين تمثلان حالة توازن حراري أولية أحادية الأبعاد، والتي تعتبر عادةً عاملاً حاسماً في مشاكل نقل الحرارة. تُعتبر شروط الحدود فريدة عند النظر في شرط حدود مطبق عند يمكن قياس دقة الشبكة العصبية فيما يتعلق بتلك BC باستخدام المقياس. يتم تخصيص كل عنصر من عناصر دالة الخسارة بعناية كما هو موضح في المعادلة (14) لتقدير متوسط مربع الخطأ (MSE) عبر مجموعة المواقع التي يتم تقييم الأخطاء فيها. يجب أن يتقارب مجموع جميع قيم الخسارة، المحسوبة عبر مجموعات نقاط عشوائية تعرف بنقاط التلاقي، إلى الصفر في الحالة المثالية حيث تقوم الشبكة العصبية بتقريب الحل لمعادلة الحرارة بدقة. ومع ذلك، يُعترف بأن دمج دوال خسارة مختلفة يعد معقدًا لإدماجها في دالة خسارة تراكمية واحدة. تنشأ هذه الصعوبة من الانحراف المحتمل في مقادير هذه المكونات المختلفة للخسارة، والتي يمكن أن تؤثر بشكل كبير على كيفية تدريب النموذج وأدائه. قد تفضل الشبكة العصبية حلاً يركز بشكل أساسي على تقليل مصطلح خسارة مهيمن عندما تتجاوز مقدار إحدى مكونات الخسارة، أو مشتقاتها، بالنسبة لأوزان النموذج، بشكل كبير الآخرين. هذه الإطار ضروري لضمان أن جميع مصطلحات الخسارة لها مقادير قابلة للمقارنة، مما يسرع من تقليل جميع الخسائر بشكل متزامن خلال مرحلة التدريب.

النتائج والمناقشة

تمت دراسة التشتت الحراري في تصميم زعانف متموجة معرضة للتأثيرات الحملية وتوليد الحرارة الداخلي في هذا البحث. كجزء من الأساليب المتقدمة لتعلم الآلة في تحليل نقل الحرارة في زعانف متموجة حملية، توضح العملية المبتكرة لشبكة عصبية مدعومة بالفيزياء (PINN) توزيع الحرارة. يوسع البحث الحالي تطبيق PINNs لاستكشاف آثار عدم خطية معادلة الحرارة وظروف الحدود من خلال تعديل معلمات الهيكل. باستخدام المكونات غير البعدية، يتم تبسيط المعادلة التفاضلية غير الخطية المتعلقة بتوصيل الحرارة إلى نسخة غير بعدية. يتضمن القسم التالي تقريرًا رسوميًا وجدوليًا عن التباين الحراري في الزعنفة المتموجة الحملية.
تطورت هذه الدراسة حلاً مبتكرًا يعتمد على دمج الفيزياء وتعلم الآلة لمواجهة التحديات التي تواجه حل معادلة انتقال الحرارة (ODE) في وجود توليد حرارة داخلي. أساس هذه الاستراتيجية هو التخطيط بدقة لتدريب شبكة عصبية لتحسين دالة خسارة شاملة. تم بناء دالة الخسارة هذه بعناية لتلبية ODE و BC في نفس الوقت، مما يضمن حلاً شاملاً ودقيقًا. يتم تضمين ميزات مختلفة من خلال استخدام مبادئ مشكلة انتقال الحرارة لتزويد الشبكة العصبية برؤى قائمة على الفيزياء. عالج هذا الحل الأحجام المتنوعة لمصطلحات الخسارة، مما حسن من متانة الشبكة وكفاءتها. علاوة على ذلك، يتم اختيار مواقع التدريب بشكل هادف لزيادة تركيز نقاط البيانات حول الانقطاعات في دالة الخسارة والمعلمات المدخلة. أثناء تدريب PINNs لحل المعادلات التفاضلية (DEs)، يعد اختيار دوال التنشيط اعتبارًا مهمًا. يمكن أن تسبب التدرجات المتلاشية مشاكل مع دوال التنشيط التقليدية مثل سيغمويد أو الظل الزائد (tanh)، مما قد يقيد قدرة الشبكة على التعلم. بالمقابل، تُستخدم دالة الوحدة الخطية المعدلة (ReLU) بشكل متكرر في تطبيقات التعلم العميق المختلفة لأنها تحل بنجاح مشكلة التدرج المتلاشي. يتطلب حساب دالة الخسارة للمعادلات التفاضلية مثل معادلات انتقال الحرارة حساب المشتقات الأولى والثانية للشبكة العصبية بدقة بالنسبة لمدخلاتها. تم الإشارة سابقًا إلى الصعوبة التي توفرها القيم المختلفة للخسارة، وأحجامها، وتأثيرها على التدريب. يمكن أن تساعد استخدام نهج تطبيقي للتطبيع في حل هذه المشكلة. يتم استخدام مُهيئ غلوروت المتجانس بشكل أساسي لتهيئة النموذج، مما يتسبب في اختلاف أحجام مصطلحات الخسارة. بسبب هيمنة مصطلحات الخطأ الأكبر في التدريب، قد تكون مصطلحات الخطأ الأصغر أكثر صعوبة في التقليل. يتم تعريف مصطلحات الخسارة بعناية للحفاظ على قابلية المقارنة لمصطلحات الخطأ الفردية مع تطور النموذج. تم إنشاء نظام التطبيع التكيفي لكل 50 دورة تدريبية في المتوسط لتحديث عوامل التطبيع. يتم حساب عوامل التطبيع الجديدة بناءً على العلاقة بين خسارة معينة وأكبر مصطلح خسارة. إذا كانت هذه النسبة أكبر من حد محدد مسبقًا، مثل 0.000001، يتم تغيير عامل التطبيع لمصطلح الخسارة المحدد إلى الواحد. ومع ذلك، إذا انخفض التوازن دون العتبة، مما يشير إلى أن مصطلح الخسارة أقل بكثير من أكبر مصطلح خسارة، يتم تعديل عامل التطبيع إلى نسبة الخسارة مقسومة على العتبة. مع هذا التعديل، يكون مصطلح الخطأ النسبي أقل من عتبة الدورة. سيصبح عامل التطبيع أقوى خلال الفترة المحدثة التالية إذا تطور أكبر مصطلح خسارة بشكل أبطأ أثناء التدريب مقارنة بمصطلح الخسارة المحدد. يوجه هذا النهج التكتيكي النموذج نحو حل لمصطلح الخسارة الأكبر مع تأثير طفيف من مصطلحات الخسارة الأخرى. مع وضع ذلك في الاعتبار، تم رسم الشكل 3 للإشارة إلى دقة تقنية PINN المطبقة من خلال مقارنتها بالمنهجية العددية (RKF-45). يتم إجراء المقارنة بشكل خاص لجميع السيناريوهات التي تم أخذها في الاعتبار. من الجدير بالذكر أن النتائج المكتسبة تتوافق بشكل ممتاز مع نتائج RKF-45 وبالتالي فهي متكافئة للغاية مع النتائج. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد التحليلات المقارنة صحة النتائج. يظهر تأثير على تغير درجة حرارة الزعنفة الموجية المولدة للحرارة الداخلية في الشكل 4. يُلاحظ أن زيادة منحنيات درجة الحرارة ناتجة عن زيادة في قيود الموصلية الحرارية. يتم رفع الحرارة داخل هيكل الزعنفة نتيجة لتحسين توصيل الحرارة من قاعدة الزعنفة بسبب زيادة في تدرج الموصلية الحرارية. يتم تحديد كمية الحرارة المنقولة بالتوصيل إلى تفريغ الحرارة بالتوصيل الحراري على أنها Nc. يتم مناقشة تأثير فقدان الحرارة بالتوصيل الحراري الموصوف بواسطة المعامل على تغير درجة حرارة الزعنفة الموجية من خلال الرسم البياني كما هو موضح في الشكل 5. يؤدي ارتفاع المتغير التوصيلي-التوصيلي إلى تقليل التوزيع الحراري في الزعنفة. يظهر منحنى التوزيع أعلى تدرج درجة حرارة عند أدنى قيمة لـ بينما ناتجها الأكبر بكثير ناتج عن قيمة الموصلية الحرارية، والتي هي أقل بكثير من المتغيرات المتبقية. علاوة على ذلك، تتحسن فعالية نقل الحرارة بالتوصيل الحراري داخل الزعنفة مع ارتفاع بسبب
الشكل 3. مقارنة نتائج PINN و RKF-45.
الشكل 4. تأثير على من WFRS.
الشكل 5. تأثير على من WFRS.
تنخفض درجة الحرارة العامة في الزعنفة بشكل أسرع. مع تحسن الحرارة المنقولة بالتوصيل عند القاعدة، تنخفض درجة الحرارة على طول الزعنفة، خاصة عند الطرف. يتبع ذلك أنه مع زيادة تبادل الحرارة بالتوصيل في الزعنفة، يتم توصيل كمية أكبر من الحرارة عبر الزعنفة، مما يزيد من توزيع درجة حرارة التشغيل في الزعنفة، وبالتالي معدل نقل الحرارة. تشير العواقب الكبيرة لمعامل توليد الحرارة الداخلي على التشتت الحراري للزعنفة إلى الشكل 6. تزداد التغيرات الحرارية مع زيادة هذا المعامل. على وجه التحديد، يتم توضيح الزعنفة الموجية التوصيلية بدون توليد حرارة ( ) بواسطة المنحنى السفلي. عندما يرتفع توليد الحرارة ( )، ترتفع درجة حرارة الزعنفة المحلية أيضًا مما يدل على وجود توليد حرارة داخلي قوي. بعبارة أخرى، تؤدي تقليل خاصية توليد الحرارة إلى انخفاض في ملف درجة الحرارة، مما يشير إلى زيادة فقدان الحرارة على طول سطح الزعنفة. يوضح الشكل 7 التغير في درجة الحرارة كعامل لمعامل توليد الحرارة. الزيادة في التوزيع الحراري ناتجة عن ارتفاع هذه المتغيرات. يتطور تدرج درجة الحرارة تدريجيًا من خلال تغيير متغير توليد الحرارة. ومع ذلك، تؤدي زيادة إنتاج الحرارة إلى ارتفاع درجات حرارة الزعنفة لأن، في حالة مستقرة، يجب نقل كمية أكبر من الحرارة إلى البيئة من خلال الزعنفة. يتسبب زيادة الإنتاج الداخلي للحرارة في أن الزعنفة تطلق المزيد من الحرارة إلى جوها المحيط، مما يؤدي إلى تحسين درجة حرارة الزعنفة غير البعدية.
الشكل 6. تأثير على من WFRS.
الشكل 7. تأثير على من WFRS.
تقدم دراسة قيم متوسط الخطأ التربيعي (MSE) لتوبولوجيات الخلايا العصبية المختلفة رؤى حول العلاقة بين أداء التنبؤ وتعقيد النموذج. يتم عرض تحليل المقارنة باستخدام وحدات الشبكة المختلفة في الشكل 8. تم تثبيت المعلمات الفائقة الأخرى، وهي معدل التعلم 1E-04 وعدد الدورات المحدد بـ 30,000. التحليل جدير بالملاحظة لأنه يتضمن طبقتين من الخلايا العصبية ويظهر نمطًا مستمرًا من انخفاض قيم MSE في جميع الحالات مع زيادة عدد الخلايا العصبية من 8 إلى 89. يشير هذا النمط إلى أن كثافة الخلايا العصبية الأكبر تعزز قدرة الشبكة على تمثيل وتقريب الفيزياء الأساسية، مما يؤدي إلى تنبؤات أكثر دقة. يُعتبر MSE هو دالة الخسارة المفضلة، ويظهر التقارب عند 62 خلية عصبية في الشكل، مع أخطاء تتراوح من 1.01E-09 إلى 2.06E-06. تسلط هذه النتائج الضوء على الفوائد المحتملة لاستخدام هياكل الشبكات العصبية الأكثر تعقيدًا في سياق النمذجة المستندة إلى الفيزياء، مما يبرز أهمية اختيار وتعديل هيكل الشبكة العصبية بعناية للحصول على دقة تنبؤ مثلى. يُظهر الشكل 9 رسمًا بيانيًا للتكرارات مقابل خسارة التدريب، مما يقدم تفاصيل مثيرة حول أداء التقارب لتقنية PINN. يظهر اتجاه واضح انخفاضًا تدريجيًا في خسارة التدريب مع زيادة عدد الدورات. ومن الجدير بالذكر أن الرسم البياني يظهر نقطة تقارب واضحة عند 30,000 تكرار، مما يشير إلى أن النموذج قد وصل إلى حالة مستقرة حيث لا تسهم التكرارات الإضافية بشكل كبير في تقليل خسارة التدريب. تعتبر هذه الظاهرة التقاربية حاسمة في فهم ديناميات تدريب PINN، حيث تشير إلى أن النموذج قد تعلم بشكل كافٍ الفيزياء الأساسية ولم يعد
الشكل 8. نتائج MSE لتدريب PINN لعدد مختلف من الخلايا العصبية.
الشكل 9. خسارة التدريب لتدريب الشبكة العصبية الفيزيائية (PINN).
تخضع لتعديلات كبيرة. تحلل مخططات الصندوق الخاصة بالأخطاء في الشكل 10 الأخطاء المطلقة للحالات الخمس المتميزة وتوفر منظورًا مفصلًا حول دقة توقعات النموذج. يمثل كل صندوق توزيع الأخطاء المطلقة، حيث تختلف الوسيط للأخطاء المطلقة والمدى الربعي بين كل حالة، مما يعكس تشتت الأخطاء في التوقعات. على سبيل المثال، في الحالات الثلاث الأولى، يظهر مخطط الصندوق توزيعًا ضيقًا نسبيًا بين إلى ، مما يشير إلى توقعات متسقة ودقيقة. تتراوح الأخطاء بين و بينما -القيمة هي يعرض انتشارًا أوسع، مما يشير إلى وجود تباين أعلى في الأخطاء المطلقة. إن تحديد مثل هذه التغيرات في توزيع الأخطاء أمر حاسم لفهم متانة وموثوقية الشبكة العصبية المدعومة بالفيزياء عبر سيناريوهات مختلفة. وبالتالي، من خلال تقييم الرسم البياني للصندوق، يُلاحظ أن الأخطاء تتراوح بشكل كبير في جميع الحالات.
في الجدول 1، النتائج العددية لتوزيع الحرارة بناءً على مؤشرات مختلفة لمعلمة عملية الحمل الحراري تُسجل القيم الحرارية. تنخفض القيم الحرارية على طول الشفرة ويلاحظ زيادة في هذه القيم مع زيادة في . تُظهر هذه الجدول أن الطريقة المستخدمة متقاربة للغاية، وأن النتائج دقيقة حتى أربعة أو خمسة أرقام عشرية كحد أقصى. كما يوفر الجدول 2 التحقق من حسابات PINN المنفذة مع العمل المنشور لخالد. نتيجة الـ PINN تتقارب بشكل ممتاز مع النتائج المقارنة.
الشكل 10. رسم بياني للخطأ لنتائج MAE لتدريب PINN.
ب إكس
بين RKF-45 خطأ
-1/4 0 1.000007 1.000000 7.62939E-06
0.2 0.883129 0.883691 0.000561046
0.4 0.798810 0.799922 0.001111697
0.6 0.734608 0.736249 0.001640231
0.8 0.694266 0.696286 0.002019562
1 0.682647 0.684796 0.002148474
1/4 0 0.999951 1.000000
0.2 0.892658 0.892695
0.4 0.816564 0.816588
0.6 0.759252 0.759288 ٣.٥٦٣٠٦ × ١٠^-٥
0.8 0.723614 0.723627
1 0.713446 0.71347
1/3 0 1.000108 1.000000 0.000108004
0.2 0.894164 0.893973 0.000191383
0.4 0.819222 0.818943 0.000279093
0.6 0.762864 0.76253 0.000334411
0.8 0.727856 0.727461 0.000395874
1 0.717921 0.717487 0.000434257
2 0 0.999963 1.000000
0.2 0.912096 0.912148 5.16784E-05
0.4 0.852048 0.85211
0.6 0.807671 0.807757 0.0000852146
0.8 0.780521 0.780621 0.000099786
1 0.772955 0.773073 0.000117642
٣ 0 0.999983 1.000000
0.2 0.919179 0.919204
0.4 0.864789 0.864811
0.6 0.824819 0.824861
0.8 0.800506 0.800555
1 0.793797 0.793862
الجدول 1. التحقق من نتائج PINN مقابل نتائج RKF-45.

الخاتمة

تتبنى هذه الدراسة تأثير الحمل الحراري لدراسة الاستجابة الحرارية لزعنفة متموجة تحت تأثير توليد الحرارة الداخلي. تم تطبيق المصطلحات غير البُعدية لتبسيط المعادلة المُصاغة، والتي تم حلها بطريقتين. عدديًا باستخدام طريقة RKF-45، ومن خلال التعلم العميق بواسطة نموذج PINN المقترح. يتم استخلاص الاستنتاجات التالية من التحليل المقترح:
إن سي
خالد 0.886819 0.648054
بين 0.886754 0.648013
خطأ
الجدول 2. مقارنة نتائج PINN مع عمل لـ ، و .
  • زيادة في متغير الموصلية الحرارية تؤدي إلى زيادة في تباين درجة الحرارة في الزعنفة المتموجة.
  • يلاحظ انخفاض في التغير الحراري مع زيادة في معامل الحمل الحراري والتوصيل.
  • تؤدي المستويات المرتفعة من معلمة توليد الحرارة الداخلية إلى تعزيز التشتت الحراري في الزعنفة ذات الشكل الموجي.
  • الملف الحراري للزعنفة المتموجة يتزايد مع ارتفاع مؤشر معلمة عملية الحمل الحراري.
  • وفقًا للنتائج، أظهر الشبكة العصبية المعتمدة على الفيزياء (PINN) توافقًا ملحوظًا مع النتائج العددية خلال التدريب. وقد تفوقت الشبكة، المعززة بالخصائص المصممة، في التقاط الفيزياء الأساسية للمشكلة. ونتيجة لذلك، تفوقت على الشبكات العصبية التقليدية في قدرتها على تقديم توقعات دقيقة خارج بيئة التدريب.
  • تجمع خصائص النمذجة التقليدية المعتمدة على الفيزياء مع القدرة على التكيف والتعلم لشبكة الأعصاب المعتمدة على الفيزياء. إنها توفر حلاً دقيقًا وفعالًا، مما يقلل من الحاجة إلى مجموعات بيانات ضخمة ويقلل من التكاليف الحاسوبية مع الحفاظ على دقة عالية من خلال تضمين المعادلات الحاكمة بشكل صريح في بنية الشبكة العصبية.
تقدم هذه الدراسة الحالية أيضًا أنواعًا مختلفة من إمكانيات الدراسات المستقبلية لتصميم الزعانف المتموجة وتطبيقاتها العملية. يبقى الجهد المستمر ضروريًا لتحديد الخصائص الحرارية الفيزيائية المثلى والظروف التي قد تسهل نقل الحرارة من الجسم الساخن إلى محيطه. المؤلف المراسل متاح عند الطلب المعقول.

توفر البيانات

تتوفر مجموعات البيانات المستخدمة و/أو التي تم تحليلها خلال الدراسة الحالية من المؤلف المراسل عند الطلب المعقول.
تاريخ الاستلام: 3 ديسمبر 2023؛ تاريخ القبول: 21 مارس 2024
نُشر على الإنترنت: 25 مارس 2024

References

  1. Prasannakumara, B. C. & Shashikumar, N. S. Boundary layer flow and heat transfer of nanofluid with fluid particle suspension over a nonlinear stretching sheet in the presence of thermal radiation. J. Nanofluids 6, 487-495 (2017).
  2. Prasannakumara, B. C., Shashikumar, N. S. & Venkatesh, P. Boundary Layer Flow and Heat Transfer of fluid particle suspension with nanoparticles over a nonlinear stretching sheet embedded in a porous medium. Nonlinear Eng. 6, 179-190 (2017).
  3. Prasannakumara, B. C., Shashikumar, N. S. & Archana, N. S. Three-dimensional boundary layer flow and heat transfer of a dusty fluid towards a stretching sheet with convective boundary conditions. J. Comput. Appl. Res. Mech. Eng. 8, 25-38 (2018).
  4. Muhammad, T. et al. Significance of darcy-forchheimer porous medium in nanofluid through carbon nanotubes. Commun. Theor. Phys. 70, 361 (2018).
  5. Shashikumar, N. S., Gireesha, B. J., Mahanthesh, B. & Prasannakumara, B. C. Brinkman-Forchheimer flow of SWCNT and MWCNT magneto-nanoliquids in a microchannel with multiple slips and Joule heating aspects. Multidiscip. Model. Mater. Struct. 14, 769-786 (2018).
  6. Souayeh, B. et al. Slip flow and radiative heat transfer behavior of Titanium alloy and ferromagnetic nanoparticles along with suspension of dusty fluid. J. Mol. Liq. 290, 111223 (2019).
  7. Madhu, M., Shashikumar, N. S., Gireesha, B. J. & Kishan, N. Second law analysis of Powell-Eyring fluid flow through an inclined microchannel with thermal radiation. Phys. Scr. 94, 125205 (2019).
  8. Shashikumar, N. S., Macha, M., Gireesha, B. J. & Kishan, N. Finite element analysis of micropolar nanofluid flow through an inclined microchannel with thermal radiation. Multidiscip. Model. Mater. Struct. 16, 1521-1538 (2020).
  9. Riasat, S., Ramzan, M., Kadry, S. & Chu, Y.-M. Significance of magnetic Reynolds number in a three-dimensional squeezing Darcy-Forchheimer hydromagnetic nanofluid thin-film flow between two rotating disks. Sci. Rep. 10, 17208 (2020).
  10. Shashikumar, N. S., Madhu, M., Sindhu, S., Gireesha, B. J. & Kishan, N. Thermal analysis of MHD Williamson fluid flow through a microchannel. Int. Commun. Heat Mass Transfer 127, 105582 (2021).
  11. Madhu, M., Shashikumar, N. S., Gireesha, B. J. & Kishan, N. Thermal analysis of MHD powell-eyring fluid flow through a vertical microchannel. Int. J. Ambient Energy 43, 4454-4462 (2022).
  12. Madhu, M., Shashikumar, N. S., Gireesha, B. J. & Kishan, N. Second law analysis of MHD third-grade fluid flow through the microchannel. Pramana J. Phys. 95, 4 (2021).
  13. Shashikumar, N. et al. Entropy generation analysis of radiative Williamson fluid flow in an inclined microchannel with multiple slip and convective heating boundary effects. In Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering 09544089211049863 (2021) doi:https://doi.org/10.1177/09544089211049863.
  14. Mahanthesh, B., Shashikumar, N. S. & Lorenzini, G. Heat transfer enhancement due to nanoparticles, magnetic field, thermal and exponential space-dependent heat source aspects in nanoliquid flow past a stretchable spinning disk. J. Therm. Anal. Calorim. 145, 3339-3347 (2021).
    15 Gireesha, B. J., Prasannakumara, B. C., Umeshaiah, M. & Shashikumar, N. S. Three dimensional boundary layer flow of MHD maxwell nanofluid over a non-linearly stretching sheet with nonlinear thermal radiation. J. Appl. Nonlinear Dyn. 10, 263-277 (2021).
  15. Souayeh, B., Yasin, E., Alam, M. W. & Hussain, S. G. Numerical simulation of magnetic dipole flow over a stretching sheet in the presence of non-uniform heat source/sink. Front Energy Res. https://doi.org/10.3389/fenrg.2021.767751 (2021).
    17 Madhu, M., Shashikumar, N. S., Gireesha, B. J. & Kishan, N. Entropy generation analysis of MHD micropolar nanofluid flow through a micro channel. Discontin. Nonlinear. Complex. 11, 569-582 (2022).
  16. Shashikumar, N. S., Sindhu, S., Madhu, M. & Gireesha, B. J. Second law analysis of MHD Carreau fluid flow through a microchannel with thermal radiation. Waves Random Complex Media https://doi.org/10.1080/17455030.2022.2060532 (2022).
  17. Madhu, M., Shashikumar, N. S., Thriveni, K., Gireesha, B. J. & Mahanthesh, B. Irreversibility analysis of the MHD Williamson fluid flow through a microchannel with thermal radiation. Waves Random Complex Media https://doi.org/10.1080/17455030.2022. 2111473 (2022).
  18. Ramesh, G. K., Madhukesh, J. K., Aly, E. H. & Pop, I. Modified Buongiorno’s model for biomagnetic hybrid nanoliquid past a permeable moving thin needle. Int. J. Num. Methods Heat Fluid Flow 32, 3551-3578 (2022).
  19. Alsulami, M. D., Naveen Kumar, R., Punith Gowda, R. J. & Prasannakumara, B. C. Analysis of heat transfer using Local thermal non-equilibrium conditions for a non-Newtonian fluid flow containing Ti6Al4V and AA7075 nanoparticles in a porous media. ZAMM J. Appl. Math Mech. Z Angewandte Math. Mech. 103, e202100360 (2023).
  20. Alhowaity, A. et al. Non-Fourier energy transmission in power-law hybrid nanofluid flow over a moving sheet. Sci Rep 12, 10406 (2022).
  21. Souayeh, B. Simultaneous features of CC heat flux on dusty ternary nanofluid (Graphene + Tungsten Oxide + Zirconium Oxide) through a magnetic field with slippery condition. Mathematics 11, 554 (2023).
  22. Ramesh, G. K., Madhukesh, J. K., Khan, U., Hussain, S. M. & Galal, A. M. Inspection of hybrid nanoparticles flow across a nonlinear/linear stretching surface when heat sink/source and thermophoresis particle deposition impacts are significant. Int. J. Mod. Phys. B 37, 2350008 (2023).
  23. Mahabaleshwar, U. S., Vanitha, G. P. & Souayeh, B. A study of casson viscous gas flows and heat transfer across a linear stretching/ shrinking sheet by considering induced slip, mass transpiration, inclined magnetic force, and radiation effect. BioNanoScience 13, 1052-1063 (2023).
  24. Dinesh Kumar, M. et al. Analysis of dynamical assisting and opposing flow characteristics of darcy surface-filled ternary nanoparticles and fourier flux: Artificial neural network and levenberg method. J. Circuit. Syst. Comp. https://doi.org/10.1142/S0218 126624400012 (2024).
  25. Alqahtani, A. M., Bilal, M., Ali, A., Alsenani, T. R. & Eldin, S. M. Numerical solution of an electrically conducting spinning flow of hybrid nanofluid comprised of silver and gold nanoparticles across two parallel surfaces. Sci. Rep. 13, 7180 (2023).
  26. Nagaraja, K. V. et al. Heat and mass transfer analysis of assisting and opposing radiative flow conveying ternary hybrid nanofluid over an exponentially stretching surface. Sci. Rep. 13, 14795 (2023).
  27. Alfannakh, H. & Souayeh, B. Computational assessment of and nanomaterial on Blasius-Rayleigh-stokes flow influenced by an aligned magnetic field. Processes 11, 2860 (2023).
    30 Karthik, K. et al. Impacts of thermophoretic deposition and thermal radiation on heat and mass transfer analysis of ternary nanofluid flow across a wedge. Int. J. Model. Simul. https://doi.org/10.1080/02286203.2023.2298234 (2024).
  28. Madhukesh, J. K. et al. A model development for thermal and solutal transport analysis of non-newtonian nanofluid flow over a riga surface driven by a waste discharge concentration. Water 15, 2879 (2023).
  29. Sharma, R. P., Madhukesh, J. K., Shukla, S., Gamaoun, F. & Prasannakumara, B. C. Numerical study of the thermophoretic velocity of ternary hybrid nanofluid in a microchannel bounded by the two parallel permeable flat plates. J. Therm. Anal. Calorim. 148, 14069-14080 (2023).
  30. Madhura, K. R., Babitha, Kalpana, G. & Makinde, O. D. Thermal performance of straight porous fin with variable thermal conductivity under magnetic field and radiation effects. Heat Transf. 49, 5002-5019 (2020).
  31. Abukhaled, M. & Khuri, S. A. Efficient numerical treatment of a conductive-radiative fin with temperature-dependent thermal conductivity and surface emissivity. Int. J. Comput. Methods Eng. Sci. Mech. 21, 159-168 (2020).
  32. Sarwe, D. U. & Kulkarni, V. S. Thermal behaviour of annular hyperbolic fin with temperature dependent thermal conductivity by differential transformation method and Pade approximant. Phys. Scr. 96, 105213 (2021).
  33. Wang, K.-J. & Shi, F. A new fractal model of the convective-radiative fins with temperature-dependent thermal conductivity. Therm. Sci. 207-207 (2022).
  34. Kumar, R. S. V., Jagadeesha, K. C. & Prasannakumara, B. C. Heat transfer and thermal analysis in a semi-spherical fin with temperature-variant thermal properties: an application of Probabilists’ Hermite collocation method. Waves Random Complex Media https://doi.org/10.1080/17455030.2023.2198031 (2023).
  35. Liu, X., Wang, M., Liu, H., Chen, W. & Qian, S. Numerical analysis on heat transfer enhancement of wavy fin-tube heat exchangers for air-conditioning applications. Appl. Therm. Eng. 199, 117597 (2021).
  36. Song, K. et al. Thermal-hydraulic characteristic of a novel wavy fin-and-circle tube heat exchanger with concave curved vortex generators. Int. J. Heat Mass Transf. 194, 123023 (2022).
  37. Kumar, C. et al. Analysis of heat transfer behavior of porous wavy fin with radiation and convection by using a machine learning technique. Symmetry 15, 1601 (2023).
  38. Sharma, A., Ding, C., Chul Kim, S. & Chauhan, R. Investigation and optimization of solidification performance of concentration tube type latent heat storage unit with herringbone wavy fin designs. Appl. Therm. Eng. 222, 119924 (2023).
  39. Kumar, R. S. V., Alsulami, M. D., Sarris, I. E., Sowmya, G. & Gamaoun, F. Stochastic Levenberg-Marquardt neural network implementation for analyzing the convective heat transfer in a wavy fin. Mathematics 11, 2401 (2023).
  40. Das, R. & Kundu, B. Simultaneous estimation of heat generation and magnetic field in a radial porous fin from surface temperature information. Int. Commun. Heat Mass Transf. 127, 105497 (2021).
  41. Din, Z. U., Ali, A., De la Sen, M. & Zaman, G. Entropy generation from convective-radiative moving exponential porous fins with variable thermal conductivity and internal heat generations. Sci. Rep. 12, 1791 (2022).
  42. Venkitesh, V. & Mallick, A. Thermal analysis of a convective-conductive-radiative annular porous fin with variable thermal parameters and internal heat generation. J. Therm. Anal. Calorim. 147, 1519-1533 (2022).
  43. Kaur, P. & Singh, S. Convective radiative moving fin with temperature-dependent thermal conductivity, internal heat generation and heat transfer coefficient. Pramana J. Phys. 96, 216 (2022).
  44. Gireesha, B. J., Pavithra, C. G. & Keerthi, M. L. Semianalytical investigation on heat transfer in porous fins with temperaturedependent thermal conductivity via the homotopy perturbation Sumudu transform approach. Heat Transf. 53, 610-645 (2024).
  45. Ji, W., Qiu, W., Shi, Z., Pan, S. & Deng, S. Stiff-PINN: Physics-Informed neural network for stiff chemical kinetics. J. Phys. Chem. A 125, 8098-8106 (2021).
  46. Berkhahn, S. & Ehrhardt, M. A physics-informed neural network to model COVID-19 infection and hospitalization scenarios. Adv. Cont. Discr. Mod. 2022, 61 (2022).
  47. Chiu, P.-H., Wong, J. C., Ooi, C., Dao, M. H. & Ong, Y.-S. CAN-PINN: A fast physics-informed neural network based on coupled-automatic-numerical differentiation method. Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 395, 114909 (2022).
  48. Bararnia, H. & Esmaeilpour, M. On the application of physics informed neural networks (PINN) to solve boundary layer thermalfluid problems. Int. Commun. Heat Mass Transf. 132, 105890 (2022).
  49. Prakash, S. B. et al. Investigation of the thermal analysis of a wavy fin with radiation impact: an application of extreme learning machine. Phys. Scr. 99, 015225 (2023).
  50. Poornima, B. S. et al. Evolutionary computing for the radiative-convective heat transfer of a wetted wavy fin using a genetic algorithm-based neural network. Biomimetics 8, 574 (2023).
  51. Khaled, A. A. Thermal performance of six different types of wavy-fins. Int. J. Num. Methods Heat Fluid Flow 25, 892-911 (2015).
  52. Ramesh, G. K., Manohar, G. R., Madhukesh, J. K., Venkatesh, P. & Gireesha, B. J. Thermal aspects of a radiative-convective semispherical porous fin of functionally graded material. Eur. Phys. J. Plus 139, 97 (2024).
  53. Madhu, J., Baili, J., Kumar, R. N., Prasannakumara, B. C. & Gowda, R. J. P. Multilayer neural networks for studying three-dimensional flow of non-Newtonian fluid flow with the impact of magnetic dipole and gyrotactic microorganisms. Phys. Scr. 98, 115228 (2023).
  54. Khan, M. I. et al. Neural artificial networking for nonlinear Darcy-Forchheimer nanofluidic slip flow. Appl. Nanosci. 13, 3767-3786 (2023).
  55. Punith Gowda, R. J., ChandrappaPrasannakumara, B., Shehzad, S. A. & Sahar, F. Blasius and Sakiadis flow of titania-copper-water based hybrid nanofluid flow: An artificial neural network modeling. Sci. Iran. https://doi.org/10.24200/sci.2023.61937.7566 (2023).
  56. Shoaib, M. et al. Intelligent backpropagated neural networks application on Darcy-Forchheimer ferrofluid slip flow system. Int. Commun. Heat Mass Transf. 129, 105730 (2021).

شكر وتقدير

يُعبر المؤلفون عن تقديرهم لعمادة البحث العلمي في جامعة الملك خالد لدعمها هذا العمل من خلال مشروع بحث جماعي كبير تحت رقم المنحة RGP2/171/44.

مساهمات المؤلفين

C.K؛ K.K؛ R.S.V.K: التصور، المنهجية، البرمجيات، التحليل الرسمي، التحقق؛ كتابة المسودة الأصلية. N.K.R؛ W.O؛ A.M: كتابة المسودة الأصلية، تنظيم البيانات، التحقيق، التصور، التحقق. U.K؛ R.K: التصور، كتابة المسودة الأصلية، كتابة المراجعة والتحرير، الإشراف، الموارد. R.S؛ A.Q؛ M.M.M.A: التحقق؛ مراجعة الكتابة والتحرير؛ البرمجيات؛ وقد قدموا ملاحظات هامة وساعدوا في النسخة المنقحة من المخطوطة. علاوة على ذلك، دعموا أيضًا في مراجعة المخطوطة بشكل نقدي للمحتوى الفكري المهم.

المصالح المتنافسة

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

معلومات إضافية

يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى R.S.
معلومات إعادة الطبع والتصاريح متاحة علىwww.nature.com/reprints.
ملاحظة الناشر: تظل شركة سبرينجر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.
الوصول المفتوح. هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي النسب 4.0 الدولية، التي تسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج بأي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمواد. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، فسيتعين عليك الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارة http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© المؤلفون 2024

  1. قسم الرياضيات، مدرسة أمارا للهندسة، جامعة أمارا فيشوا فيديابيثام، بنغالور، كارناتاكا، الهند. كلية العلوم، جامعة الزرقاء، الزرقاء 13110، الأردن. قسم الدراسات في الرياضيات، جامعة دافانجيري، دافانجيري، كارناتاكا 577002، الهند. قسم الرياضيات البحتة والتطبيقية، مدرسة العلوم الرياضية، جامعة صنواي، بتالينغ جايا 47500، سيلانغور دار الإحسان، ماليزيا. قسم الرياضيات، كلية العلوم، جامعة ساكاريا، سيرديفان/ساكاريا 54050، تركيا. قسم علوم الحاسوب والرياضيات، الجامعة الأمريكية اللبنانية، جبيل 1401، لبنان. كلية علوم الحاسوب، جامعة الملك خالد، أبها، المملكة العربية السعودية. قسم الرياضيات، كلية العلوم والإنسانية في الخرج، جامعة الأمير سطام بن عبد العزيز، الخرج 11942، المملكة العربية السعودية. قسم الرياضيات، كلية العلوم، جامعة أسوان، أسوان 81528، مصر. قسم الكيمياء، كلية العلوم، جامعة موني، صندوق بريد 725، أروى، أوغندا. قسم الهندسة الميكانيكية، مركز الأبحاث والتطوير بالجامعة، جامعة تشانديغار، موهالي، بنجاب 140413، الهند. البريد الإلكتروني: rsaadeh@zu.edu.jo

Journal: Scientific Reports, Volume: 14, Issue: 1
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-57772-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38528081
Publication Date: 2024-03-25

OPEN

Predicting the thermal distribution in a convective wavy fin using a novel training physics-informed neural network method

K. Chandan , Rania Saadeh , Ahmad Qazza , K. Karthik , R. S. Varun Kumar , R. Naveen Kumar , Umair Khan , Atef Masmoudi , M. Modather M. Abdou , Walter Ojok & Raman Kumar

Abstract

Fins are widely used in many industrial applications, including heat exchangers. They benefit from a relatively economical design cost, are lightweight, and are quite miniature. Thus, this study investigates the influence of a wavy fin structure subjected to convective effects with internal heat generation. The thermal distribution, considered a steady condition in one dimension, is described by a unique implementation of a physics-informed neural network (PINN) as part of machine-learning intelligent strategies for analyzing heat transfer in a convective wavy fin. This novel research explores the use of PINNs to examine the effect of the nonlinearity of temperature equation and boundary conditions by altering the hyperparameters of the architecture. The non-linear ordinary differential equation (ODE) involved with heat transfer is reduced into a dimensionless form utilizing the nondimensional variables to simplify the problem. Furthermore, Runge-Kutta Fehlberg’s fourth-fifth order (RKF-45) approach is implemented to evaluate the simplified equations numerically. To predict the wavy fin’s heat transfer properties, an advanced neural network model is created without using a traditional data-driven approach, the ability to solve ODEs explicitly by incorporating a mean squared error-based loss function. The obtained results divulge that an increase in the thermal conductivity variable upsurges the thermal distribution. In contrast, a decrease in temperature profile is caused due to the augmentation in the convective-conductive variable values.

Keywords Heat transfer, Fin, Wavy fin, Internal heat generation, Physics-informed neural networks

List of symbols

Fin’s length
Fin axial distance
Exponent constant
Fin profile aspect ratio
Nc Convection-conduction parameter
Fin’s length (dimensionless)
Surface wave dimensionless amplitude
Internal heat generation parameter (dimensionless)
Surface wave phase shift
Ambient temperature
Thermal conductivity parameter
Internal heat generating rate (dimensionless)
Wavy fin total arc length
Parameter of heat generation
Temperature at the fin’s base
Fin base half height
Heat generation
Wave number
Fin surface area
Non-dimensional temperature
K Thermal conductivity
H Fin half height
Convective heat transfer coefficient
Fin cross-sectional area
T Temperature
Fin’s width
Thermal conductivity variation parameter

Subscript

a Ambientb Base

The transportation of thermal power (heat) via physical structures is the main focus of the mechanical engineering field of heat transfer. The methods of heat transfer may be categorized into convection, radiation, conduction, and energy transmission involving phase shifts. Due to the enormous rise in global energy consumption, improving heat transfer has become one of the most difficult tasks concerning saving energy in daily life. Liquid heat transmission rate improvements have grabbed the interest of scientists and engineers due to their vast and practical applications in medical, industrial, and technological sectors. Transport of heat through the nanoliquids has a wide range of applications in mechanical and engineering science, chemical analysis, and biological sectors such as solar water heating, polymers cooling of microchips, heat exchangers, food processing insulating materials, heat pipes, glass manufacturing, solar energy fluidizations, hydraulic breaks, and geothermal power extraction. As a result of these numerous applications, many scholars have investigated the influence of heat transfer on several flow circumstances. Prasannakumara et al. explored the radiative heat transmission aspects of the nanoliquid past a stretchy sheet. The convective heat transport in a dusty liquid flow past a stretching surface was deliberated by Prasannakumara et al. with the influence of magnetic force. Muhammad et al. considered the carbon nanomaterial for examining the heat transmission characteristics of the nanoliquid in the porous medium. Shashikumar et al. discussed the features of heat transmission in the microchannel flow by utilizing carbon nanotubes. Souayeh et al. inspected the heat transfer behaviour of the dusty nanofluid with the impact of thermal radiation. The impact of convective heating on the radiative heat transmission of fluid was debriefed by Madhu et al. and Shashikumar et al. using an inclined microchannel. Riasat et al. considered the magnetic field’s effect to analyze the nanofluid flow’s heat transmission aspects. Shashikumar et al. and Madhu et al. investigated the role of magnetic force on the heat transfer mechanism and fluid flowing through microchannel. Shashikumar et al. debriefed the influence of the convective heating boundary on the flow and heat transmission of the liquid in the microchannel. The transmission and enhancement heat of the nanofluid was examined by considering its flow over stretching and microchannel geometries and presenting the mathematical description . Recently, the aspects of radiative heat transport of the fluid through a microchannel were analyzed by Shashikumar et al. and Madhu et al. . Ramesh et al. delineated the heat transfer analysis of the biomagnetic hybrid nanoliquid over a porous thin needle. Alsulami et al. performed the heat transfer investigation of the non-Newtonian nanofluid flow past a porous media. Alhowaity et al. probed the heat transport of nanoliquid flowing past a moveable sheet using non-Fourier model. In recent years, several authors have analyzed the heat transmission of the fluid flow with the aspects of thermophoretic deposition, magnetic field, heat sink/source, and thermal radiation . The investigation of the thermal efficacy of fins as a passive strategy for improving heat dissipation from heated main surfaces is currently receiving a lot of interest in the scientific community. The use of fins increases the effective heat transfer area and decreases the base surface temperature for a specific thermal load and heat transfer coefficient. Fins are widely exploited in some manufacturing applications, including air conditioning, oil transportation pipelines, and the cooling of computer processors. Madhura et al. inspected the temperature performance of the permeable extended surface with the radiation impact. The consequence of the surface emissivity on the convective fin was studied by Abukhaled and Khuri with variable thermal conductivity. Sarwe and Kulkarni deliberated on the temperature performance of the annular extended surface with variable thermal conductivity. Wang and Shi probed the heat transmission in the convective extended surface with variable thermal conductivity. Utilizing the collocation approach, Kumar et al. deliberated the heat transport analysis in the semi-spherical extended surface with variable thermal conductivity.
Surface shape may also aid in lowering airside resistance in addition to increasing fin surface, and wavy fins are one of the most popular techniques to increase the airside. Wavy fins improve heat transfer efficiency by
prolonging the flow route, strengthening the heat transmission surface area, and creating efficient corrugations that cause vortices to mix with the cooling air. The continuous fin shape of wavy fins allows the consistent operation to withstand unfavourable ambient circumstances, even if the heat transmission of wavy fins is inferior to interrupted surfaces like louvre or slit fins. Liu et al. debriefed the improvement of heat transmission in wavy fin heat exchangers used in cooling industries. Thermohydraulic attributes of a wavy extended surface and tube exchange system with concave generators were inspected by Song et al. . The heat transmission attributes of the porous wavy fin were investigated by Kumar et al. using the machine learning scheme. Sharma et al. investigated the concentrated tube-type heat storage system with wavy fin patterns. An artificial neural network scheme was employed by Kumar et al. to study thermal distribution and heat transport in a wavy fin. Internal heat is produced in the system during conduction in many engineering applications. For instance, heat is generated when electricity flows from an electric line. Heat is produced in nuclear reactors as a result of neutron absorption. Many industrial applications, including cylinders of air-cooled aircraft, jet engines, electronic products, etc., use fins in unstable state conditions. The fins of electronic equipment can generate heat. Heat generation inside nuclear reactors with fins is feasible. Investigating heat generation in fins is vital due to their diverse applications. Das and Kundu inspected the impact of heat generation on the radial permeable fin. The thermal characteristics of the convective porous fin with internal heat production were scrutinized by Din et al. . The heat transmission attributes of the permeable extended surface involving internal heat generation were analyzed by Venkitesh and Mallick . The influence of heat generation and variable thermal conductivity on the radiative fin was evaluated by Kaur and Singh . The sumudu transform approach was employed by Gireesha et al. to study the analysis of heat transmission in a permeable extended surface. A new paradigm recognized as physics-informed neural networks (PINNs) is emerging in the relationship between physics and artificial intelligence. It is a scenario in which machines can understand the physical laws that govern a system and reproduce the data. This innovative strategy offers a glimpse into the future of artificial intelligence and has the potential to transform engineering design and scientific research. The Stiff-PINN, a neural network inspired by physics for addressing stiff chemical kinetics, was introduced by Ji et al. . It examines the difficulties in applying PINN to stiff ODE systems and how the quasi-steady-state assumption can help lessen stiffness and make PINN successful. The performance of conventional PINN and Stiff-PINN in solving two classical stiff kinetic systems is contrasted in this work. This also discusses a few difficulties encountered while carrying out this research that may serve as a roadmap for future advancements. PINN is presented as a representation to mimic COVID-19 infection and hospitalization scenarios by Berkhahn and Ehrhardt . The incorporation of vaccination rates and increasing transmissibility of SARS-CoV-2 and its variations using an expanded susceptible-infected-recovered (SIR) model. The PINN uses a data-driven approach with an ODE system built to account for physical laws and calculate the transport rate based on data currently accessible in Germany. Chiu et al. proposed a novel technique termed CAN-PINN, a quick neural network based on coupled-automatic-numerical differentiation. To ensure that results adhere to the laws of physics, the authors present unique approaches for practical training with increased precision. To speed up PINN training, they offer complementary numerical differentiation principles and connect nearby support points. Bararnia and Esmaeilpour used physics-based neural networks to resolve viscous and thermal boundary layerrelated problems. Models are built and trained using TensorFlow, and results are compared to those obtained using finite difference methods. The study successfully employs the models to assess boundary layer thicknesses and emphasizes the influence of Prandtl number and boundary placements on necessary network complexity.
Heat transfer is crucial for various manufacturing and scientific engineering, electronic cooling systems, and various industrial processes demanding precise thermal management. Additionally, incorporating variousshaped fins in heat exchanger operations has become more prevalent due to its cost-effective and excellent performance in strengthening heat transmission. The uniqueness of using physics-informed neural networks (PINN) in the context of a wavy fin heat transfer analysis comes from its ability to combine machine learning power with domain-specific physics knowledge seamlessly. The advantages of conventional physics-based modelling are combined with neural networks’ adaptability and learning potential in PINN. The essential principles guiding thermal transfer in wavy fin are preserved while allowing for a more rigorous, data-driven analysis. PINN maintains some transparency in contrast to conventional black-box machine learning models, making it simple to comprehend the underlying mechanisms and factors by providing interpretable insights into the physical processes involved in heat transmission within wavy fin. Also, very few investigations deal with wavy fins , and considerably fewer address internal heat generation in wavy fin structures. An extensive study of the effects of internal heat generation on wavy fin structures is required, considering that these structures transport heat more efficiently than rectangular fin designs. Motivated by these significant factors, the present study examines the thermal variation in the convective wavy fin with consequences of internal heat generation. Further, the developed energy equation involving the laws governed by physics is solved by implementing the PINN. The applied technique is a novel direction in describing the solution for the proposed fin model. This technique is validated by comparing the obtained results with numerical outcomes using graphs and tables.
The proposed study provides significant insights regarding the:
  • Convective heat transfer rates and dynamic thermal fluctuations in a wavy fin.
  • Influence of internal heat generation on the thermal variation of the wavy fin.
  • Solution of the developed heat transfer model with the application of PINN.
  • Precision of the applied PINN in solving the heat transfer nonlinear equations.

Formulation of the problem

The wavy fin of rectangular shape (WFRS) with length , and width is taken for the thermal analysis. The subsequent deductions have been taken into consideration to develop the mathematical representation of the current conceptual theory:
  • The fin is presumed to transmit heat with the surrounding environment having conatant temperature through convection.
  • Transfer of heat from the extended surface to the adjacent fluid occurs in a steady state.
  • The thermal conductivity, internal heat generation and convective heat transfer coefficient are supposed to be temperature-dependent.
  • The x -axis is regarded along the overall length of the fin, initially at its primary surface.
  • The heat resistance at the point of interacting between the fin and the wall is insignificant.
  • The temperature of the adjacent fluid , and the fin-base temperature are taken to be constants.
  • Since the fin thickness is small in regard to the remaining measurements, the temperature distribution throughout the fin can be approximated as a function of only the length coordinate.
The features of the considered model are schematically illustrated in Fig. 1.
The fin surface has been wavy along its longitudinal axis. The wavy fin structure is designed in the shape of a sine curve with (Prakash et al. )
and the cross-sectional area is specified by (Poornima et al. )
Correspondingly, the fin surface area is given by (Poornima et al. )
where .
Further, the thermal conductivity, internal heat generation and the convective heat transfer coefficient are mathematically denoted as
,
Figure 1. Geometrical depiction of a wavy fin.
where , and denote the base temperature of fin, and the convection heat transfer at respectively.
Considering the aforesaid-stated premises, the governing equation is expressed as follows (Poornima et al. , Khaled and Ramesh et al. ):
With the substitution of above mathematical expressions (Eq. (4)), the following equation is obtained
The governing equation (Eq. (6)) is related to left and right end boundary conditions, i.e. base and tip of the fin. The left one is the fixed boundary condition and insulated boundary condition is implemented at the right tip. These are mathematically represented as,
At fin’s base: ,
At fin’s tip:
For the sake of simplicity and convenience, several dimensionless constraints are presented as:
Utilization of the above established appropriate variables, Eq. (6) in the dimensionless arrangement is as follow
The transmuted boundary conditions are

Physics-informed neural networks (PINNs)

Artificial neural networks have been employed in numerous technical fields, and their variety of uses keeps increasing. Neural network techniques have recently been employed by researchers to assess various physical parameters affecting heat transport mechanisms . The development and deployment of PINNs for solving heat transfer equations (ODEs/PDEs) and similar problems represents a standard change from traditional numerical simulation-based techniques. PINN can be an effective tool for simulating scenarios with diverse boundary conditions (BCs) in close to real-time once it has been trained. This approach is instrumental in manufacturing, where process uncertainties, such as unknown BCs, necessitate speedy and reliable problem evaluation. Becoming a fascinating and crucial area of research is the potential application of densely structured neural networks as representations for resolving ODEs, notably in heat transfer. A neural network model demonstrating this concept is shown in Fig. 2. The concept of feature engineering emerges as a vital and corresponding tactic to enhance the network’s ability to accurately reflect the underlying physical principles and introduce physicsguided loss functions. This methodology’s careful shaping of neural network properties to closely match the numerical expression of the heat equation’s solution is a crucial component. The primary layer of the neural network architecture is meticulously developed by the fusion of two preliminary layers of hidden layers to speed up the process. The first of these preparatory layers uses the positional input and activates the Rectified Linear Unit (ReLU) while applying trainable weights and biases. A careful comparison and evaluation of the effectiveness of the aforementioned architectural paradigms is done during the following validation process. Following a thorough grid search process, a layout with two hidden layers holding 62 nodes and a learning rate of 1E-04 emerges as the optimal values.
Figure 2. Working procedure of PINN.
Importantly, for the neural network to reliably act as Eq. (11) provides a representation of the ODE, its predictions must strictly comply with the established BCs as denoted in Eqs. (12) and (13), representing a onedimensional initial thermal equilibrium state, which is typically a critical factor in heat transfer problems. The BCs are uniquely viewed when considering an applied BC at . The neural network’s accuracy concerning that particular BC can be measured using the metric. Each element of the loss function is carefully customized as described in Eq. (14) to estimate the mean square of the error (MSE) throughout the ensemble of locations at which the errors are evaluated. The sum of all loss values, calculated across arbitrary point sets known as collocation points, should converge to zero in the ideal case where a neural network accurately approximates the solution to the heat equation. However, it is acknowledged that combining different loss functions is complex to incorporate into a single cumulative loss function. This difficulty arises from the potential divergence in the magnitudes of these several loss components, which can significantly impact how a model is trained and performs. The neural network may favor a solution that primarily prioritizes the minimization of a dominating loss term when the magnitude of one loss component, or its derivatives, about the model’s weights, dramatically surpasses the others. This framework is essential for guaranteeing that all loss terms have comparable magnitudes, which speeds up the simultaneous minimization of all losses during the training stage.

Results and discussion

The thermal dispersal in a wavy fin design exposed to convective impacts and internal heat generation is examined in this research. As an aspect of machine learning’s sophisticated approaches to analyzing heat transmission in a convective wavy fin, this investigation’s innovative operation of a physics-informed neural network (PINN) elucidates the thermal distribution. The current research extends the implementation of PINNs to investigate the implications of the temperature equation’s nonlinearity and boundary conditions by adjusting the architecture’s hyperparameters. Using the non-dimensional components, the non-linear ODE referring to heat conduction is simplified into a dimensionless version. The following section comprises a graphical and tabular report of the thermal variance in the convective wavy fin.
This study developed an innovative solution based on the combination of physics and machine learning to tackle the challenges encountered in solving the heat transfer equation (ODE) in the presence of internal heat generation. The foundation of this strategy is to precisely plan the training of a neural network to optimize a comprehensive loss function. This loss function is carefully built to satisfy the ODE, and BC simultaneously, ensuring a comprehensive and accurate solution. Different features are included by using the principles of the heat transfer problem to infuse the neural network with physics-based insights. This solution addressed the varied magnitudes of loss terms, which improved the network’s robustness and efficiency. Furthermore, the training sites are chosen purposefully to increase the concentration of data points around discontinuities in the loss function and input parameters. While training PINNs to solve differential equations (DEs), selecting activation functions is an important consideration. The vanishing gradients can cause problems with conventional activation functions like sigmoid or hyperbolic tangent (tanh), which might restrict the network’s learning ability. In contrast, the Rectified Linear Unit (ReLU) function is frequently used in various deep learning applications because it successfully solves the vanishing gradient issue. Calculating the loss function for DEs like heat transfer equations requires precisely computing the first and second derivatives of the neural network concerning its inputs. Previously, the difficulty provided by the various loss values, their magnitudes, and their effect on training is noted. Using an adaptive normalization approach can help to solve this problem. The Glorot uniform initializer is primarily used to initialize the model, which causes the loss terms’ magnitudes to vary. Due to the dominance of more extensive error terms in the training, more minor magnitude error terms may be more challenging to reduce. Loss terms are carefully defined to maintain comparability of the individual error terms as the model develops. The adaptive normalization system was created for every 50 epochs on average to update normalization factors. The new normalization factors are calculated based on the relationship between a specific loss and the most significant loss term. If this ratio is greater than a preset cutoff, such as 0.000001 , the normalization factor for the particular loss term is changed to unity. However, the balance falls below the threshold, indicating that the loss term is significantly lower than the most significant loss term, and the normalization factor is modified to the loss ratio divided by the threshold. With this modification, the relative error term is below the epoch’s threshold. The normalization factor will get stronger during the subsequent updated interval if the most significant loss term evolves more slowly during training than the specific loss term. This tactical approach directs the model towards a solution for the loss term with the largest magnitude with a minor influence from other loss terms. Keeping this in mind, Fig. 3 is drawn to indicate the accuracy of the applied PINN technique by comparing it with the numerical methodology (RKF-45). The comparison is specifically carried out for all scenarios that are taken into consideration. It is worth mentioning to highlight that the acquired outcomes are excellently in accordance with the RKF-45 results and are accordingly extremely equivalent to the findings. Additionally, comparative analysis confirms the validity of the findings. The influence of on the temperature variation of the internal heat generating wavy fin is revealed in Fig. 4. It is noted that, increase of temperature curves is caused with an augmented in thermal conductivity constraint. The heat within the fin’s structure is elevated as an effect of improved heat conduction from the fin base caused by amplification in its thermal conductivity gradient. The quantity of heat transferred by conduction to heat discharge by convection is identified as Nc. Convective heat loss impact described by the parameter on the temperature variation of the wavy fin is discussed through plot as divulged in Fig. 5. Rise in the convective-conductive variable deceases the thermal distribution in the fin. The distribution curve exhibits the highest temperature gradient at the lowest value, while its significantly higher magnitude is caused by the thermal conductivity value, which is considerably lesser than the remaining variables. Moreover, the effectiveness of convective heat transfer within the fin improves as elevates owing to the
Figure 3. Comparison of PINN and RKF-45 results.
Figure 4. Influence of on of WFRS.
Figure 5. Influence of on of WFRS.
overall temperature in the fin dropping more rapidly. As the heat transmitted by convection at the base improves, the temperature drops along the fin, particularly at the tip. It follows that as fin convective heat exchange rises, a greater amount of heat is conducted across the fin, which raises the operating temperature dispersion in the fin and, in turn, the heat transfer rate. Significant consequence of the internal heat generation parameter on the thermal dispersal of the fin is denoted in Fig. 6. Thermal variation increases with an upsurge of this parameter. Precisely, convective wavy fin without heat generation ( ) is illustrated by the bottom curve. When the heat generation ( ) rises, the local fin temperature rises as well denoting the existence of strong internal heat generation. In other words, the diminution of the heat generating characteristic results in a temperature profile decrease, signifying increased heat loss along the fin surface. Figure 7 explicates the variation in temperature as a factor of heat generating coefficient. The upsurge in the thermal distribution is due to the rise of this variables. The temperature gradient progressively develops by altering the heat generation variable. However, more heat production culminates in increased fin temperatures because, in a steady state, an increased quantity of heat needs to be transferred into the environment through the fin. The increased internal heat production causes the fin to dissipate more heat into its surrounding atmosphere, resulting in improved dimensionless fin temperature.
Figure 6. Influence of on of WFRS.
Figure 7. Influence of on of WFRS.
The examination of mean squared error (MSE) values for different neuron topologies provides insight into the connection between prediction performance and model complexity. A comparison analysis using different network units is shown in Fig. 8. The other hyperparameters, namely the learning rate of 1E-04 and the epochs set to 30,000 , are fixed. The analysis is noteworthy since it includes two neuron layers and shows a continuous pattern of lowering MSE values for all cases as the number of neurons increases from 8 to 89. This pattern suggests that a greater neuronal density enhances the network’s capacity to represent and approximate the underlying physics, leading to more precise predictions. The MSE is the preferred loss function, and convergence is seen at 62 neurons in the figure, with errors ranging from 1.01E-09 to 2.06E-06. These findings highlight the potential advantages of using more complex neural network architectures in the context of physics-informed modeling, emphasizing the significance of carefully selecting and modifying the neural network structure to obtain optimal prediction accuracy. A graph of iterations against training loss is shown in Fig. 9, which offers insightful detail about the convergence performance of the PINN technique. An obvious trend shows a progressive decrease in the training loss as the number of epochs increases. Notably, the plot shows a clear convergence point of 30,000 iterations, indicating that the model has reached a stable state where additional iterations do not significantly contribute to the decrease of training loss. This convergence phenomenon is critical in understanding the PINN’s training dynamics since it indicates that the model has sufficiently learned the underlying physics and no longer
Figure 8. MSE results of the PINN training for different neurons.
Figure 9. Training loss of the PINN training.
undergoing substantial adjustments. The error box plots in Fig. 10 analyses the absolute errors for the five distinct cases and provides a detailed perspective on the model’s predictive accuracy. Each box represents the distribution of absolute errors, the median absolute error and interquartile range vary for each case, reflecting the dispersion of errors in the predictions. For instance, in the first three cases, the box plot demonstrates a relatively narrow distribution between to , indicating consistent and accurate predictions. The errors range between and while the -value is exhibits a wider spread, suggesting a higher variability in absolute errors. Identifying such variations in error distribution is crucial for understanding the robustness and reliability of the physics-informed neural network across different scenarios. Thus, by the box plot evaluation it is observed that the errors are in considerable range for all cases.
In Table 1, numerical findings for the thermal distribution based on various index of convective process parameter ( ) values are reported. The thermal values decrease along the fin length and an upsurge in these values are observed with an increment in . This table shows that the method used is extremely convergent, and the results are accurate to maximum of four or five decimal places. Also, Table 2 provides the validation of the performed PINN calculations with the published work of Khaled . The result of the PINN excellently converges with the compared outcomes.
Figure 10. Error plot for MAE results of the PINN training.
p X
PINN RKF-45 Error
-1/4 0 1.000007 1.000000 7.62939E-06
0.2 0.883129 0.883691 0.000561046
0.4 0.798810 0.799922 0.001111697
0.6 0.734608 0.736249 0.001640231
0.8 0.694266 0.696286 0.002019562
1 0.682647 0.684796 0.002148474
1/4 0 0.999951 1.000000
0.2 0.892658 0.892695
0.4 0.816564 0.816588
0.6 0.759252 0.759288 3.56306E-05
0.8 0.723614 0.723627
1 0.713446 0.71347
1/3 0 1.000108 1.000000 0.000108004
0.2 0.894164 0.893973 0.000191383
0.4 0.819222 0.818943 0.000279093
0.6 0.762864 0.76253 0.000334411
0.8 0.727856 0.727461 0.000395874
1 0.717921 0.717487 0.000434257
2 0 0.999963 1.000000
0.2 0.912096 0.912148 5.16784E-05
0.4 0.852048 0.85211
0.6 0.807671 0.807757 8.52146E-05
0.8 0.780521 0.780621 9.9786E-05
1 0.772955 0.773073 0.000117642
3 0 0.999983 1.000000
0.2 0.919179 0.919204
0.4 0.864789 0.864811
0.6 0.824819 0.824861
0.8 0.800506 0.800555
1 0.793797 0.793862
Table 1. Validation of the PINN results against RKF-45 findings.

Conclusion

The present investigation adopts a convective effect to study the thermal response of a wavy fin under the influence of internal heat generation. The dimensionless terms are implemented to simplify the formulated equation, which is solved by two approaches. Numerically using RKF-45 and, through deep learning by the proposed PINN model. The following conclusions are drawn from the proposed analysis:
Nc
Khaled 0.886819 0.648054
PINN 0.886754 0.648013
Error
Table 2. Comparison of PINN outcomes against work of for , and .
  • An increase in the thermal conductivity variable upsurges the temperature variation in the wavy fin.
  • A decrease in the thermal variation is observed for an augmentation in the convective-conductive parameter.
  • Elevated scales of internal heat generation parameter promote thermal dispersal in the wavy profiled fin.
  • The thermal profile of the wavy fin proliferates with an escalation in the index of the convective process parameter.
  • According to the findings, the PINN displayed commendable alignment with numerical results in the training. The PINN, enhanced with designed characteristics, excelled at capturing the problem’s underlying physics. As a result, it outperformed typical neural networks in its capacity to make exact predictions outside of the training environment.
  • The characteristics of traditional physics-based modelling are combined with the adaptability and learning capabilities of the PINN. It provides a precise and effective solution, decreasing the requirement for enormous data sets and minimizing the computational costs while retaining high accuracy by explicitly embedding the governing equations into the neural network architecture.
The present investigation also proposes various kinds of prospective study possibilities for designing wavy fins and their practical applications. A persistent endeavour remains essential to identify the optimal thermophysical properties and the conditions that may facilitate heat transport from the hot body to its surroundings. corresponding author upon reasonable request.

Data availability

The datasets used and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author upon reasonable request.
Received: 3 December 2023; Accepted: 21 March 2024
Published online: 25 March 2024

References

  1. Prasannakumara, B. C. & Shashikumar, N. S. Boundary layer flow and heat transfer of nanofluid with fluid particle suspension over a nonlinear stretching sheet in the presence of thermal radiation. J. Nanofluids 6, 487-495 (2017).
  2. Prasannakumara, B. C., Shashikumar, N. S. & Venkatesh, P. Boundary Layer Flow and Heat Transfer of fluid particle suspension with nanoparticles over a nonlinear stretching sheet embedded in a porous medium. Nonlinear Eng. 6, 179-190 (2017).
  3. Prasannakumara, B. C., Shashikumar, N. S. & Archana, N. S. Three-dimensional boundary layer flow and heat transfer of a dusty fluid towards a stretching sheet with convective boundary conditions. J. Comput. Appl. Res. Mech. Eng. 8, 25-38 (2018).
  4. Muhammad, T. et al. Significance of darcy-forchheimer porous medium in nanofluid through carbon nanotubes. Commun. Theor. Phys. 70, 361 (2018).
  5. Shashikumar, N. S., Gireesha, B. J., Mahanthesh, B. & Prasannakumara, B. C. Brinkman-Forchheimer flow of SWCNT and MWCNT magneto-nanoliquids in a microchannel with multiple slips and Joule heating aspects. Multidiscip. Model. Mater. Struct. 14, 769-786 (2018).
  6. Souayeh, B. et al. Slip flow and radiative heat transfer behavior of Titanium alloy and ferromagnetic nanoparticles along with suspension of dusty fluid. J. Mol. Liq. 290, 111223 (2019).
  7. Madhu, M., Shashikumar, N. S., Gireesha, B. J. & Kishan, N. Second law analysis of Powell-Eyring fluid flow through an inclined microchannel with thermal radiation. Phys. Scr. 94, 125205 (2019).
  8. Shashikumar, N. S., Macha, M., Gireesha, B. J. & Kishan, N. Finite element analysis of micropolar nanofluid flow through an inclined microchannel with thermal radiation. Multidiscip. Model. Mater. Struct. 16, 1521-1538 (2020).
  9. Riasat, S., Ramzan, M., Kadry, S. & Chu, Y.-M. Significance of magnetic Reynolds number in a three-dimensional squeezing Darcy-Forchheimer hydromagnetic nanofluid thin-film flow between two rotating disks. Sci. Rep. 10, 17208 (2020).
  10. Shashikumar, N. S., Madhu, M., Sindhu, S., Gireesha, B. J. & Kishan, N. Thermal analysis of MHD Williamson fluid flow through a microchannel. Int. Commun. Heat Mass Transfer 127, 105582 (2021).
  11. Madhu, M., Shashikumar, N. S., Gireesha, B. J. & Kishan, N. Thermal analysis of MHD powell-eyring fluid flow through a vertical microchannel. Int. J. Ambient Energy 43, 4454-4462 (2022).
  12. Madhu, M., Shashikumar, N. S., Gireesha, B. J. & Kishan, N. Second law analysis of MHD third-grade fluid flow through the microchannel. Pramana J. Phys. 95, 4 (2021).
  13. Shashikumar, N. et al. Entropy generation analysis of radiative Williamson fluid flow in an inclined microchannel with multiple slip and convective heating boundary effects. In Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering 09544089211049863 (2021) doi:https://doi.org/10.1177/09544089211049863.
  14. Mahanthesh, B., Shashikumar, N. S. & Lorenzini, G. Heat transfer enhancement due to nanoparticles, magnetic field, thermal and exponential space-dependent heat source aspects in nanoliquid flow past a stretchable spinning disk. J. Therm. Anal. Calorim. 145, 3339-3347 (2021).
    15 Gireesha, B. J., Prasannakumara, B. C., Umeshaiah, M. & Shashikumar, N. S. Three dimensional boundary layer flow of MHD maxwell nanofluid over a non-linearly stretching sheet with nonlinear thermal radiation. J. Appl. Nonlinear Dyn. 10, 263-277 (2021).
  15. Souayeh, B., Yasin, E., Alam, M. W. & Hussain, S. G. Numerical simulation of magnetic dipole flow over a stretching sheet in the presence of non-uniform heat source/sink. Front Energy Res. https://doi.org/10.3389/fenrg.2021.767751 (2021).
    17 Madhu, M., Shashikumar, N. S., Gireesha, B. J. & Kishan, N. Entropy generation analysis of MHD micropolar nanofluid flow through a micro channel. Discontin. Nonlinear. Complex. 11, 569-582 (2022).
  16. Shashikumar, N. S., Sindhu, S., Madhu, M. & Gireesha, B. J. Second law analysis of MHD Carreau fluid flow through a microchannel with thermal radiation. Waves Random Complex Media https://doi.org/10.1080/17455030.2022.2060532 (2022).
  17. Madhu, M., Shashikumar, N. S., Thriveni, K., Gireesha, B. J. & Mahanthesh, B. Irreversibility analysis of the MHD Williamson fluid flow through a microchannel with thermal radiation. Waves Random Complex Media https://doi.org/10.1080/17455030.2022. 2111473 (2022).
  18. Ramesh, G. K., Madhukesh, J. K., Aly, E. H. & Pop, I. Modified Buongiorno’s model for biomagnetic hybrid nanoliquid past a permeable moving thin needle. Int. J. Num. Methods Heat Fluid Flow 32, 3551-3578 (2022).
  19. Alsulami, M. D., Naveen Kumar, R., Punith Gowda, R. J. & Prasannakumara, B. C. Analysis of heat transfer using Local thermal non-equilibrium conditions for a non-Newtonian fluid flow containing Ti6Al4V and AA7075 nanoparticles in a porous media. ZAMM J. Appl. Math Mech. Z Angewandte Math. Mech. 103, e202100360 (2023).
  20. Alhowaity, A. et al. Non-Fourier energy transmission in power-law hybrid nanofluid flow over a moving sheet. Sci Rep 12, 10406 (2022).
  21. Souayeh, B. Simultaneous features of CC heat flux on dusty ternary nanofluid (Graphene + Tungsten Oxide + Zirconium Oxide) through a magnetic field with slippery condition. Mathematics 11, 554 (2023).
  22. Ramesh, G. K., Madhukesh, J. K., Khan, U., Hussain, S. M. & Galal, A. M. Inspection of hybrid nanoparticles flow across a nonlinear/linear stretching surface when heat sink/source and thermophoresis particle deposition impacts are significant. Int. J. Mod. Phys. B 37, 2350008 (2023).
  23. Mahabaleshwar, U. S., Vanitha, G. P. & Souayeh, B. A study of casson viscous gas flows and heat transfer across a linear stretching/ shrinking sheet by considering induced slip, mass transpiration, inclined magnetic force, and radiation effect. BioNanoScience 13, 1052-1063 (2023).
  24. Dinesh Kumar, M. et al. Analysis of dynamical assisting and opposing flow characteristics of darcy surface-filled ternary nanoparticles and fourier flux: Artificial neural network and levenberg method. J. Circuit. Syst. Comp. https://doi.org/10.1142/S0218 126624400012 (2024).
  25. Alqahtani, A. M., Bilal, M., Ali, A., Alsenani, T. R. & Eldin, S. M. Numerical solution of an electrically conducting spinning flow of hybrid nanofluid comprised of silver and gold nanoparticles across two parallel surfaces. Sci. Rep. 13, 7180 (2023).
  26. Nagaraja, K. V. et al. Heat and mass transfer analysis of assisting and opposing radiative flow conveying ternary hybrid nanofluid over an exponentially stretching surface. Sci. Rep. 13, 14795 (2023).
  27. Alfannakh, H. & Souayeh, B. Computational assessment of and nanomaterial on Blasius-Rayleigh-stokes flow influenced by an aligned magnetic field. Processes 11, 2860 (2023).
    30 Karthik, K. et al. Impacts of thermophoretic deposition and thermal radiation on heat and mass transfer analysis of ternary nanofluid flow across a wedge. Int. J. Model. Simul. https://doi.org/10.1080/02286203.2023.2298234 (2024).
  28. Madhukesh, J. K. et al. A model development for thermal and solutal transport analysis of non-newtonian nanofluid flow over a riga surface driven by a waste discharge concentration. Water 15, 2879 (2023).
  29. Sharma, R. P., Madhukesh, J. K., Shukla, S., Gamaoun, F. & Prasannakumara, B. C. Numerical study of the thermophoretic velocity of ternary hybrid nanofluid in a microchannel bounded by the two parallel permeable flat plates. J. Therm. Anal. Calorim. 148, 14069-14080 (2023).
  30. Madhura, K. R., Babitha, Kalpana, G. & Makinde, O. D. Thermal performance of straight porous fin with variable thermal conductivity under magnetic field and radiation effects. Heat Transf. 49, 5002-5019 (2020).
  31. Abukhaled, M. & Khuri, S. A. Efficient numerical treatment of a conductive-radiative fin with temperature-dependent thermal conductivity and surface emissivity. Int. J. Comput. Methods Eng. Sci. Mech. 21, 159-168 (2020).
  32. Sarwe, D. U. & Kulkarni, V. S. Thermal behaviour of annular hyperbolic fin with temperature dependent thermal conductivity by differential transformation method and Pade approximant. Phys. Scr. 96, 105213 (2021).
  33. Wang, K.-J. & Shi, F. A new fractal model of the convective-radiative fins with temperature-dependent thermal conductivity. Therm. Sci. 207-207 (2022).
  34. Kumar, R. S. V., Jagadeesha, K. C. & Prasannakumara, B. C. Heat transfer and thermal analysis in a semi-spherical fin with temperature-variant thermal properties: an application of Probabilists’ Hermite collocation method. Waves Random Complex Media https://doi.org/10.1080/17455030.2023.2198031 (2023).
  35. Liu, X., Wang, M., Liu, H., Chen, W. & Qian, S. Numerical analysis on heat transfer enhancement of wavy fin-tube heat exchangers for air-conditioning applications. Appl. Therm. Eng. 199, 117597 (2021).
  36. Song, K. et al. Thermal-hydraulic characteristic of a novel wavy fin-and-circle tube heat exchanger with concave curved vortex generators. Int. J. Heat Mass Transf. 194, 123023 (2022).
  37. Kumar, C. et al. Analysis of heat transfer behavior of porous wavy fin with radiation and convection by using a machine learning technique. Symmetry 15, 1601 (2023).
  38. Sharma, A., Ding, C., Chul Kim, S. & Chauhan, R. Investigation and optimization of solidification performance of concentration tube type latent heat storage unit with herringbone wavy fin designs. Appl. Therm. Eng. 222, 119924 (2023).
  39. Kumar, R. S. V., Alsulami, M. D., Sarris, I. E., Sowmya, G. & Gamaoun, F. Stochastic Levenberg-Marquardt neural network implementation for analyzing the convective heat transfer in a wavy fin. Mathematics 11, 2401 (2023).
  40. Das, R. & Kundu, B. Simultaneous estimation of heat generation and magnetic field in a radial porous fin from surface temperature information. Int. Commun. Heat Mass Transf. 127, 105497 (2021).
  41. Din, Z. U., Ali, A., De la Sen, M. & Zaman, G. Entropy generation from convective-radiative moving exponential porous fins with variable thermal conductivity and internal heat generations. Sci. Rep. 12, 1791 (2022).
  42. Venkitesh, V. & Mallick, A. Thermal analysis of a convective-conductive-radiative annular porous fin with variable thermal parameters and internal heat generation. J. Therm. Anal. Calorim. 147, 1519-1533 (2022).
  43. Kaur, P. & Singh, S. Convective radiative moving fin with temperature-dependent thermal conductivity, internal heat generation and heat transfer coefficient. Pramana J. Phys. 96, 216 (2022).
  44. Gireesha, B. J., Pavithra, C. G. & Keerthi, M. L. Semianalytical investigation on heat transfer in porous fins with temperaturedependent thermal conductivity via the homotopy perturbation Sumudu transform approach. Heat Transf. 53, 610-645 (2024).
  45. Ji, W., Qiu, W., Shi, Z., Pan, S. & Deng, S. Stiff-PINN: Physics-Informed neural network for stiff chemical kinetics. J. Phys. Chem. A 125, 8098-8106 (2021).
  46. Berkhahn, S. & Ehrhardt, M. A physics-informed neural network to model COVID-19 infection and hospitalization scenarios. Adv. Cont. Discr. Mod. 2022, 61 (2022).
  47. Chiu, P.-H., Wong, J. C., Ooi, C., Dao, M. H. & Ong, Y.-S. CAN-PINN: A fast physics-informed neural network based on coupled-automatic-numerical differentiation method. Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 395, 114909 (2022).
  48. Bararnia, H. & Esmaeilpour, M. On the application of physics informed neural networks (PINN) to solve boundary layer thermalfluid problems. Int. Commun. Heat Mass Transf. 132, 105890 (2022).
  49. Prakash, S. B. et al. Investigation of the thermal analysis of a wavy fin with radiation impact: an application of extreme learning machine. Phys. Scr. 99, 015225 (2023).
  50. Poornima, B. S. et al. Evolutionary computing for the radiative-convective heat transfer of a wetted wavy fin using a genetic algorithm-based neural network. Biomimetics 8, 574 (2023).
  51. Khaled, A. A. Thermal performance of six different types of wavy-fins. Int. J. Num. Methods Heat Fluid Flow 25, 892-911 (2015).
  52. Ramesh, G. K., Manohar, G. R., Madhukesh, J. K., Venkatesh, P. & Gireesha, B. J. Thermal aspects of a radiative-convective semispherical porous fin of functionally graded material. Eur. Phys. J. Plus 139, 97 (2024).
  53. Madhu, J., Baili, J., Kumar, R. N., Prasannakumara, B. C. & Gowda, R. J. P. Multilayer neural networks for studying three-dimensional flow of non-Newtonian fluid flow with the impact of magnetic dipole and gyrotactic microorganisms. Phys. Scr. 98, 115228 (2023).
  54. Khan, M. I. et al. Neural artificial networking for nonlinear Darcy-Forchheimer nanofluidic slip flow. Appl. Nanosci. 13, 3767-3786 (2023).
  55. Punith Gowda, R. J., ChandrappaPrasannakumara, B., Shehzad, S. A. & Sahar, F. Blasius and Sakiadis flow of titania-copper-water based hybrid nanofluid flow: An artificial neural network modeling. Sci. Iran. https://doi.org/10.24200/sci.2023.61937.7566 (2023).
  56. Shoaib, M. et al. Intelligent backpropagated neural networks application on Darcy-Forchheimer ferrofluid slip flow system. Int. Commun. Heat Mass Transf. 129, 105730 (2021).

Acknowledgements

The authors extend their appreciation to the Deanship of Scientific Research at King Khalid University for funding this work through large group Research Project under Grant Number RGP2/171/44.

Author contributions

C.K; K.K; R.S.V.K: Conceptualization, Methodology, Software, Formal analysis, Validation; Writing-original draft. N.K.R; W.O; A.M: Writing-original draft, Data curation, Investigation, Visualization, Validation. U.K; R.K: Conceptualization, Writing-original draft, Writing-review and editing, Supervision, Resources. R.S; A.Q; M.M.M.A: Validation; Writing review and editing; software; and provided significant feedback and assisted in the revised version of the manuscript. Further, they have also supported in revising the manuscript critically for important intellectual content.

Competing interests

The authors declare no competing interests.

Additional information

Correspondence and requests for materials should be addressed to R.S.
Reprints and permissions information is available at www.nature.com/reprints.
Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
© The Author(s) 2024

  1. Department of Mathematics, Amrita School of Engineering, Amrita Vishwa Vidyapeetham, Bengaluru, Karnataka, India. Faculty of Science, Zarqa University, Zarqa 13110, Jordan. Department of Studies in Mathematics, Davangere University, Davangere, Karnataka 577002, India. Department of Pure and Applied Mathematics, School of Mathematical Sciences, Sunway University, Petaling Jaya 47500, Selangor Darul Ehsan, Malaysia. Department of Mathematics, Faculty of Science, Sakarya University, Serdivan/Sakarya 54050, Turkey. Department of Computer Science and Mathematics, Lebanese American University, Byblos 1401, Lebanon. College of Computer Science, King Khalid University, Abha, Saudi Arabia. Department of Mathematics, College of Science and Humanities in Al-Kharj, Prince Sattam bin Abdulaziz University, Al-Kharj 11942, Saudi Arabia. Department of Mathematics, Faculty of Science, Aswan University, Aswan 81528, Egypt. Department of Chemistry, Faculty of Science, Muni University, P.O Box 725, Arua, Uganda. Department of Mechanical Engineering, University Centre for Research and Development, Chandigarh University, Mohali, Punjab 140413, India. email: rsaadeh@zu.edu.jo