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An adaptive moving grid model for numerical simulation of melting and solidification problems / Ein adaptives Bewegte-Gitter-Verfahren zur Berechnung von Aufschmelz- und Erstarrungsvorgaengen

Authors
  • Wintruff, I.
  • karlsruhe, forschungszentrum
  • karlsruhe, forschungszentrum
Publication Date
Jan 01, 2000
Source
OpenGrey Repository
Keywords
Language
German
License
Unknown

Abstract

Aufschmelz- und Erstarrungsvorgaenge stellen hohe Anforderungen an numerische Simulationen. Bewegte Phasengrenzen und temperaturabhaengige Stoffwerte stellen zusaetzliche Nichtlinearitaeten in den beschreibenden Differentialgleichungen dar. Spezielle numerische Methoden sind zur Berechnung solcher freier Randwertprobleme erforderlich. Ein neues front-tracking-Verfahren fuer konvektionsdominierte Aufschmelz- und Erstarrungsvorgaenge in beliebig geformten zweidimensionalen Kavitaeten wird vorgestellt. Das bewaehrte numerische Konzept einer kontrollvolumenbasierten Finite-Elemente-Methode (CVFEM) wird durch Koppelung mit einem adaptiven Bewegte-Gitter-Verfahren auf unstrukturierten Dreiecksgittern freien Randwertproblemen zugaenglich gemacht. Dabei werden bewegte Phasengrenzen zu jedem Zeitpunkt explizit im numerischen Gitter aufgeloest und eine scharfe Trennung der einzelnen Phasen beibehalten. Um das numerische Modell auch fuer Probleme mit einem ausgepraegten Phasenuebergangsbereich zwischen fester und fluessiger Phase (engl. mushy zone) anwenden zu koennen, wurde ausserdem ein mehrphasiges Enthalpie-Porositaetsmodell implementiert. Lokale Gitteradaptionsalgorithmen (Gitterrelaxation, Verfeinerung, Vergroeberung) werden eingesetzt, um eine Deformation des numerischen Gitters infolge bewegter Raender zu verhindern. Auf diese Weise gelingt es selbst bei stark gekruemmten Raendern oder grossskaliger Randbewegung eine gleichbleibende Gitterqualitaet aufrecht zu erhalten und numerische Fehler infolge verzerrter Elemente zu minimieren. Ausserdem kann mit Hilfe der implementierten Gitteradaptionstools eine dynamische Veraenderung der lokalen raeumlichen Aufloesung realisiert werden. Waehrend transienter Rechnungen kann damit die lokale Aufloesung der sich aendernden Physik (z.B. eine Aenderung des Aggregatzustandes) angepasst und die Effizienz der numerischen Simulation erhoeht werden. Zahlreiche Testrechnungen wurden vorgestellt, um die Faehigkeiten des vorgestellten numerischen Verfahrens zu demonstrieren. Anhand des Vergleichs mit analytischen Loesungen, numerischen Benchmarkloesungen und experimentellen Ergebnissen wird die Richtigkeit der erhaltenen Ergebnisse ueberprueft. (orig.) / Numerical simulations of melting and solidification problems is a demanding field in computational fluid dynamics. A moving phase change interface and the temperature dependent thermophysical properties introduce additional non-linearities to the governing equations. Special numerical techniques are needed to perform accurate computations of free boundary problems. A new front tracking method is presented to solve convection-dominated melting and solidification problems in arbitarily formed enclosures. The well known numerical concept of a Control Volume based Finite Element Method is extended to moving boundary problems by an adaptive moving grid model based on unstructured triangular grids. At every sampling instant, the liquid-solid phase interface is resolved explicitly in the numerical grid. To extend the numerical model to phase change problems with phase transition regions between liquid and solid (mushy phases) a two-domain enthalpy-porosity model is also implemented. Local grid adaption algorithms (relaxation, refinement, coarsening) are used to avoid grid distortion due to the moving interfaces. Even in problems involving large scale interface motion or boundary deformation, a continuous high quality grid can be preserved. Additional numerical errors due to highly-distorted elements are also minimised to as far as possible. Furthermore, the use of local grid adaption tools enables dynamical adaption of local grid resolution. During transient calculations local mesh sizes can be adapted on changing physics (e.g. a change in state) to increase computational efficiency. Numerous test calculations are presented to demonstrate the ability of the numerical code. Simulation results are verified by comparison with analytical results, benchmark calculations and previous experimental data. (orig.) / SIGLE / Available from TIB Hannover: ZA 5141(6449) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische Informationsbibliothek / DE / Germany

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