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Physics-Informed Bayesian Neural Networks for Solving Phonon Boltzmann Transport Equation in Forward and Inverse Problems with Sparse and Noisy Data

物理 玻尔兹曼方程 玻尔兹曼常数 反问题 统计物理学 人工神经网络 贝叶斯概率 声子 玻尔兹曼机 反向 应用数学 人工智能 计算机科学 量子力学 数学分析 数学 几何学
作者
Ruiyang Li,Jiahang Zhou,Jianxun Wang,Tengfei Luo
标识
DOI:10.1115/1.4067163
摘要

Abstract Non-diffusive phonon transport presents significant challenges in micro/nanoscale thermal characterization, compounded by the limitations of experimental-numerical techniques and the presence of measurement noise. Additionally, inverse modeling and uncertainty quantification for submicron thermal transport remain under-explored. In this study, we introduce a physics-informed Bayesian deep learning framework designed to address phonon Boltzmann transport equation (BTE)-based forward and inverse problems leveraging limited and noisy data. Our approach combines Bayesian neural networks with a non-parametric variational inference method, formulating the BTE-constrained training in a Bayesian manner. This enables the estimation of the posterior distribution of neural network parameters and unknown equation parameters based on a likelihood function that incorporates uncertainties from both the measurement data and the BTE model. Through numerical experiments on various phonon transport scenarios, we demonstrate that our method can accurately reconstruct temperature and heat flux profiles, infer critical quantities of interest (e.g., Knudsen number), and provide robust uncertainty quantification, even when data is sparse and noisy. This framework enhances our capability to conduct non-diffusive thermal simulations and inverse modeling with quantified uncertainty, offering a powerful tool for advancing thermal transport research and optimization in micro/nanoscale devices.
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