Enhancing Gravity Currents Analysis through Physics-Informed Neural Networks: Insights from Experimental Observations

Gravity currents in oceanic flows require simultaneous measurements of pressure and velocity to assess energy flux, which is crucial for predicting fluid circulation, mixing, and overall energy budget. In this paper, we apply Physics Informed Neural Networks (PINNs) to infer velocity and pressure field from Light Attenuation Technique (LAT) measurements for gravity current induced by lock-exchange. In a PINN model, physical laws are embedded in the loss function of a neural network, such that the model fits the training data but is also constrained to reduce the residuals of the governing equations. PINNs are able to solve ill-posed inverse problems training on sparse and noisy data, and therefore can be applied to real engineering applications. The noise robustness of PINNs and the model parameters are investigated in a 2 dimensions toy case on a lock-exchange configuration , employing synthetic data. Then we train a PINN with experimental LAT measurements and quantitatively compare the velocity fields inferred to PIV measurements performed simultaneously on the same experiment. Finally, we study the energy flux field $J=p \boldsymbol{u}$ derived from the model. The results state that accurate and useful quantities can be derived from a PINN model trained on real experimental data which is encouraging for a better description of gravity currents and improve models of ocean circulation

Comportement de suspensions granulaires soumises à des vibrations : mesures rhéologiques et caractérisation par diffusion de la lumière

Quantifier l’impact des vibrations sur les propriétés rhéologiques des suspensions granulaires trouve son intérêt dans de nombreuses applications, que ce soit environnementales ou industrielles. Par exemple, comprendre l’influence des secousses sismiques sur la liquéfaction des sols ou encore quantifier les vibrations à appliquer au béton pour une mise en place efficace restent des problèmes ouverts. Afin de mieux comprendre ces phénomènes, nous avons quantifié l’impact de vibrations contrôlées sur la rhéologie d’un milieu granulaire modèle constitué de billes de verre (~ 100μm) et saturé en liquide (fraction volumique de l’ordre de 60%). Le dispositif employé se compose d’un rhéomètre à contrainte imposée (AR 2000, TA Instruments) couplé à une cellule vibrante imposant des vibrations sinusoïdales à amplitude et fréquence fixées (P. Marchal, et al., J. Rheol. 53, 1 (2009)). L’influence des paramètres expérimentaux tels que la taille de billes, la viscosité du fluide interstitiel ou encore l’amplitude et la fréquence des vibrations sur la viscosité ont été étudiés en détails. Nous avons en particulier mis en évidence la présence d’un régime à faible cisaillement entièrement contrôlé par les vibrations. L’effet de cette sollicitation est de faire disparaître la contrainte seuil du matériau et de faire apparaître un plateau de viscosité (Hanotin et al., Phys. Rev. Lett. 108, 198301 (2012)). Cette viscosité de plateau chute de façon surprenante lorsqu’on augmente la viscosité du fluide interstitiel. Une approche dimensionnelle montre que la viscosité de la suspension est contrôlée par la compétition entre les forces de lubrification et la pression granulaire. Des expériences de diffusion de la lumière utilisant une caméra CCD et basées sur l’analyse des fluctuations d’intensité des figures de speckle ont été menées en parallèle sur ces suspensions granulaires vibrées en l’absence de cisaillement. Cette technique permet de sonder la dynamique des particules aux temps longs. Il apparaît que le temps caractéristique de relaxation obtenu est relié à la viscosité au plateau de la suspension granulaire vibrée, ce qui permet d’établir un lien entre les propriétés rhéologiques et les propriétés de diffusion à l’échelle du grain

Étude de l'organisation des réarrangements d'un milieu granulaire sous sollicitations mécaniques

The response to vibrations and the study of slope stability are a main topic in the study of granular media. On the one hand, these studies give information on the behavior of granular media submitted to these kind of sollicitations in nature (rockfalls, dune dynamics, earthquakes, ...) On the other hand, these studies allow a better understanding of granular matter in the framework of out of equilibrium systems like glassy systems. In a first part, we study experimentally the response of a granular medium to increasing inclination with acoustical and optical methods. The dynamics has two regimes: a regime with independent and localized small rearrangements and an intermittent regime with large events ("precursors") for inclination angles close to the angle of avalanche. The intermittent regime is constituted of collective motions of all grains at the surface of the packing. We point out the major role played by the microscopic details of the interaction between grains and by the boundary condition at the base of the packing during the inclination. The global dynamics of the system is characterized and compared with those obtained with a simple cellular automaton model. In a second part, we make a numerical study of the response of a vibrated granular medium. The system presents analogies with out of equilibrium systems (non-gaussian distributions of displacements, slowing down and heterogeneities of the dynamics, ...). We also discuss the influence of the rough bottom on the structure of the packing and on the dynamics. In particular, we observe that the bottom influences a volume whose thickness is about _ve grain diameters where heterogeneities and correlations appear.La réponse à des vibrations et l'étude de la stabilité des pentes ont une place particulière dans l'étude des milieux granulaires. Ces études peuvent d'une part nous renseigner sur le comportement des milieux granulaires présents dans le milieu naturel et souvent soumis à ces deux types de sollicitations (avalanches de grains, éboulements de roches, dynamique des dunes, tremblements de terre, ...). D'autre part, elles permettent d'appréhender ces milieux comme des systèmes modèles hors équilibre et d'analyser les résultats à la lumière de ceux obtenus sur la dynamique des systèmes vitreux. Nous avons tout d'abord étudié expérimentalement par des méthodes optiques et acoustiques la réponse d'un milieu granulaire lentement incliné. La dynamique présente deux régimes : un régime de petits réarrangements indépendants et localisés est suivi d'un régime intermittent caractérisé par de grands événements de type "précurseurs" au voisinage de l'angle d'avalanche. Ce régime dit de "précurseurs" correspond à un mouvement collectif de l'ensemble des grains situés à la surface de l'empilement. Nous mettons en évidence l'importance du détail microscopique de l'interaction entre les grains et de la condition à la limite à la base de l'empilement sur la dynamique du système dans ce régime. La dynamique globale du système a été étudiée et comparée à un modèle simple de type automate cellulaire. Dans un second temps, nous avons étudié numériquement la réponse d'un milieu granulaire soumis à des vibrations. Le comportement du système présente des caractéristiques qui sont communes à tous les systèmes hors équilibre (distributions non-gaussiennes des déplacements, ralentissement et hétérogénéités de la dynamique,...). L'influence de la condition à la limite au fond de l'empilement sur la structuration de celui-ci et sur le ralentissement de la dynamique a également été discutée. Nous avons, en particulier, mis en évidence une zone d'épaisseur environ égale à 5 diamètres de grains où des hétérogénéités dynamiques et de fortes corrélations entre les mouvements des grains apparaissent

Effect of vibrations on granular material flows down an inclined plane using DEM simulations

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Gravitational spreading of granular paste droplets induced by mechanical vibrations

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Discharge of a granular silo under mechanical vibrations

In this paper, we study the flow rate of model granular material in a silo under the influence of mechanical vibrations. Experimental measurements and discrete element simulations (DEM) are performed in a quasi-2D silo. The influence on the flow rate of the opening size and the vibration applied on the entire silo is studied. Two distinct regimes are evidenced, governed by the Froude number Fr and the relative frequency Ω. In the first regime, a decreased flow rate is observed when increasing the vibration intensity. This behavior is explained by the presence of reorganizations induced by the vibration, leading to a more homogeneous but also slower flow. In the second regime, an increased flow rate is evidenced when increasing the vibration intensity. We find this behavior comes from the intermittent nature of the flow, where the flow rate is directly controlled by the propagation of shock waves all along the silo

Discharge of a granular silo under mechanical vibrations

In this paper, we study the flow rate of model granular material in a silo under the influence of mechanical vibrations. Experimental measurements and discrete element simulations (DEM) are performed in a quasi-2D silo. The influence on the flow rate of the opening size and the vibration applied on the entire silo is studied. Two distinct regimes are evidenced, governed by the Froude number Fr and the relative frequency Ω. In the first regime, a decreased flow rate is observed when increasing the vibration intensity. This behavior is explained by the presence of reorganizations induced by the vibration, leading to a more homogeneous but also slower flow. In the second regime, an increased flow rate is evidenced when increasing the vibration intensity. We find this behavior comes from the intermittent nature of the flow, where the flow rate is directly controlled by the propagation of shock waves all along the silo

Experimental Evidence of Aging and Memory Effects in Inclined 3D Granular Packings

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