Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost
- Članica UL: UL Fakulteta za strojništvo
- Šifra projekta: J2-1718
- Naslov: Napredno brezmrežno modeliranje in simulacija večfaznih sistemov
- Trajanje: 01.07.2019 – 30.06.2022
- Letni obseg: 0,83 FTE
- Vodja: prof. dr. Božidar Šarler
- Veda: Tehniške vede
- Sodelujoče RO: Povezava
- Sestava projektne skupine: Povezava
- Bibliografske reference: Povezava
Vsebinski opis projekta
Znanstveni cilji raziskovalnega projekta so osredotočeni k izboljšanemu fizikalnemu popisu in nadaljnjemu razvoju brezmrežnih numeričnih metod za večfazne sisteme ob prisotnosti elektromagnetnih in ultrazvočnih polj. Fizikalno modeliranje tovrstnih procesov bo postavljeno v okvir volumsko-povprečene večfazne formulacije na makroskopskem merilu. Popis prostih in premičnih mej na mikroskopskem in makroskopskem merilu bo temeljil na konceptu faznega polja. Turbulentni tok bo obravnavan na podlagi formulacije velikih vrtincev. Opisani fizikalni okvir bo nadgrajen za simulacijo strjevanja na več merilih ter stisljivi laminarni dvofazni tok plina in kapljevine.Brezmrežne metode nadalje razvijamo zaradi natančnosti, učinkovitosti, preproste numerične implementacije, podobne formulacije v dveh in treh dimenzijah ter različnih možnosti avtomatskega nadzora kakovosti rezultatov. Lokalno kolokacijsko metodo z radialnimi baznimi funkcijami bomo obširno nadgradili z novimi algoritmi za tlačno-hitrostno sklopitev, z več-nivojskimi iteracijskimi rešitvenimi postopki, brezmrežno blokovno-strukturirano prilagodljivo zgostitev vozlišč in brezmrežno specifično stabilizacijo konvekcije. Nesingularna metoda temeljnih rešitev bo nadalje razvita za natančno evaluacijo Neumannovih robnih pogojev, nelinearni odziv snovi in probleme s premičnimi in prostimi mejami.
Ohranitvene enačbe za maso, energijo, gibalno količino in sestavine bodo sočasno reševane na mikroskopskem in makroskopskem merilu. Poudarek projekta bo na modularnosti brezmrežnega simulacijskega sistema in numerični implementaciji na računalnikih s porazdeljenim spominom. Predvidena je sklopitev z umetno inteligenco za optimizacijo in zmanjšanje modelov. To bo omogočilo številne moderne brezmrežne simulacije v globalni metalurški in farmacevtski industriji, kot tudi v velikih mednarodnih raziskovalnih centrih kot so European XFEL za femtosekundno kristalografijo.
Modelske predpostavke bodo eksperimentalno preverjene na podlagi novih domačih in tujih laboratorijskih in industrijskih poskusov na področju kapljevito-plinaste mikrofluidike in evolucije mikrostrukture kapljevito-trdnih sistemov. Obstoječi mednarodni primerjalni testni primeri za Stefanove probleme bodo dopolnjeni z novimi nalogami za strjevanje večsestavinskih sistemov v osni simetriji in v treh dimenzijah.
Projekt temelji na nadaljnjem razvoju naših mednarodno priznanih in nagrajenih prebojnih rezultatov, doseženih v preteklih nekaj letih z brezmrežnimi metodami: prva demonstracija h-adaptivnih izračunov, prva rešitev inženirskih modelov turbulence, simulacija magnetohidrodinamike in termomehanike, velike deformacije, modeliranje prostih in premičnih meja s formulacijo faznega polja, dvofazni tok, rešitev najbolj zapletenih mednarodnih testnih primerov za strjevanje, popolnoma nov brezmrežni koncept simulacij mezoskopskega razvoja mikrostrukture, ki temelji na točkovnih namesto celičnih avtomatih. Razvoj industrijskih simulacijskih sistemov, ki temeljijo na tem novem predkonkurenčnem znanju (kontinuirno ulivanje aluminijevih zlitin in jekel ob vplivu elektromagnetnih polj, trakovno ulivanje, vroče valjanje, mikro-curki, itd.)..
Predlagane raziskave bodo prispevale k nadaljnjemu razvoju eksperimentalno podprtega temeljnega znanja za modeliranje večfaznih sistemov in brezmrežnega reševanja večfizikalnih in večnivojskih problemov. Vplivale bodo na nadaljnje poskuse, teorijo, projektiranje in izobraževanje. Specifične nadgradnje razvitega temeljnega znanja bodo uporabljene pri simulaciji številnih naravnih in tehnoloških procesov. V okviru projekta bomo priredili mednarodno konferenco ter letno šolo v povezavi s Stefanovimi problemi.
Faze projekta in njihova realizacija
Delovni paket 1: izboljšanje fizikalnih modelov – skupna realizacija projektnih aktivnosti: 40 %
DP1 – opravilo 1.1: stisljiv tok
Realizacija: V brezmrežni simulacijski sistem za večfazne sisteme smo začeli vgrajevati vplive spremembe gostote zaradi temperature (kapljevito-trdni sistemi) in tlaka (plinasto-kapljeviti sistemi).
DP1 – opravilo 1.2: napredna formulacija nelinearne mehanike
Realizacija: Razvita je bila formulacija mehanike trdnin z algoritmom povratne preslikave za tri dimenzije in dve dimenziji v približku ravninskih napetosti in ravninskih deformacij, za kar je bila razvita nova hibridna metoda lokalne kolokacije z radialnimi baznimi funkcijami za diskretizacijo operatorja divergence.
DP1 – opravilo 1.3: zunanja polja (elektromagnetna in ultrazvočna polja)
Realizacija: Razvit je bil postopek za implementacijo brezmrežne metode za reševanje enačb elektromagnetnega polja v treh dimenzijah. Postopek je bil sklopljen z obstoječima modeloma za temperaturno in hitrostno polje in uporabljen za reševanje primera naravne konvekcije pod vplivom magnetnega polja v treh dimenzijah [1.3.1].
[1.3.1] MRAMOR, Katarina, VERTNIK, Robert, ŠARLER, Božidar. Application of the local RBF collocation method to natural convection in a 3D cavity influenced by a magnetic field. Engineering analysis with boundary elements. 2020, vol. 116, str. 1-13, ilustr. ISSN 0955-7997.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955799720300977?via%3Dihub
DP1 – opravilo 1.4: večnivojske in večfizikalne sklopitve
Realizacija: Izvedena je bila sklopitev mehanskega in termičnega modela potujoče rezine za opis prenosa toplote v kokili pri kontinuirnem ulivanju jekla. Izvedena je bila nadgraditev algoritma za izračun difuzije v večsestavinskih zlitinah v modelu točkovnih avtomatov. Implementiran je bil model faznega polja za rast dendritskih kristalov v večsestavinskih zlitinah. V jubilejni številki Strojniškega vestnika smo ob 100. obletnici Univerze v Ljubljani objavili industrijsko aplikacijo polkontinuirnega ulivanja aluminijevih zlitin, kjer smo demonstrirali večnivojske in večfizikalne sklopitve [1.4.1].
[1.4.1] ŠARLER, Božidar, DOBRAVEC, Tadej, GLAVAN, Gašper, HATIĆ, Vanja, MAVRIČ, Boštjan,VERTNIK, Robert, CVAHTE, Peter, GREGOR, Filip, JELEN, Marina, PETROVIČ, Marko. Multiphysics and multi-scale meshless simulation system for direct-chill casting of aluminium alloys. Strojniški vestnik. Nov./Dec. 2019, vol. 65, no. 11/12, str. 658-670, ilustr. ISSN 0039- 2480. DOI: 10.5545/sv-jme.2019.6350.[COBISS.SI-ID 3385188].
Delovni paket 2: napredek razvoja brezmrežnih metod – skupna realizacija projektnih aktivnosti: 40 %
DP2 – opravilo 2.1: novi algoritmi za sklopitev tlaka in hitrostni
Realizacija: Implementrali smo algoritem PISO (Pressure-Implicit with Splitting of Operators) v povezavi z brezmrežnimi metodami. Testirali smo ga za problem nestisljive in stisljive gnane kotanje.
DP2 – opravilo 2.2: večnivojsko iterativno reševanje linearnih problemov
Realizacija: Implementirali smo več različnih algoritmov za večnivojsko iterativno reševanje linearnih problem in rezultate objavili v vodilni reviji s področja [2.2.1].
[2.2.1] .ZAMOLO, Riccardo, NOBILE, Enrico, ŠARLER, Božidar. Novel multilevel techniques for convergence acceleration in the solution of systems of equations arising from RBF-FD meshless discretizations. Journal of computational physics. 2019, vol. 392, str. 311-334. [COBISS.SI-ID 16607003].
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021999119303171
DP2 – opravilo 2.3: brezmrežno blokovno-strukturirano prilagodljivo zgoščevanje računskih točk
Realizacija: Brezmrežno blokovno-strukturirano prilagodljivo zgoščevanje računskih točk Razvit je bil blokovno-strukturiran prilagodljiv računski postopek za reševanje paraboličnih parcialnih diferencialnih enačb z uporabo brezmrežnih metod za krajevno diskretizacijo in eksplicitnih shem za časovno diskretizacijo. Postopek je bil uporabljen za reševanje modelov faznega polja za strjevanje, kjer algoritem dinamično zagotavlja najvišjo gostoto računskih točk na medfaznem robu.
DP2 – opravilo 2.4: brezmrežno-specifična stabilizacija konvekcije
Realizacija: Za stabilizacijo brezmrežnih metod, ki se uporabljajo za reševanje transportnih enačb, je bil razvit nov stabilnostni kriterij in na njem osnovana izvirna stabilizacijska metoda. Razvita metoda je bila predstavljena v objavi [2.4.1] v vodilni reviji s področja brezmrežnih metod.
[2.4.1] MAVRIČ, Boštjan, ŠARLER, Božidar. Equivalent-PDE based stabilization of strong-form meshless methods applied to advection-dominated problems. Engineering analysis with boundary elements. 2020, vol. 113, str. 315-327, ilustr. ISSN 0955-7997. DOI: 10.1016/j.enganabound.2020.01.014. [COBISS.SI-ID 17037339], [JCR, SNIP].
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955799720300205?via%3Dihub
DP2 – opravilo 2.5: nesingularna metoda temeljnih rešitev
Realizacija: Nesingularno metodo temeljnih rešitev smo razvili za tridimenzionalne probleme elastičnosti ter [2.5.1] ter za potencialni tok [2.5.2]
[2.5.1] LIU, Qingguo, ŠARLER, Božidar. Method of fundamental solutions without fictitious boundary for three dimensional elasticity problems based on force balance desingularization. Engineering analysis with boundary elements. 2019, vol. 108, str. 244- 253, DOI: 10.1016/j.enganabound.2019.08.007. [COBISS.SI-ID 1509546].
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955799719305478?via%3Dihub,
[2.5.2] REK, Zlatko, ZAHOOR, Rizwan, ŠARLER, Božidar, Method of regularized sources for potential flow problems, Computers and mathematics with applications (sprejeto v objavo).
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0898122120302443?via%3Dihub
DP2 – opravilo 2.6: paralelna implementacija
Realizacija: Razvito je bilo ogrodje za paralelizacijo na HPC infrastrukturi ter uporabljeno na primerih večkomponentne difuzije ter mehanike trdnin v treh dimenzijah.
Delovni paket 3: umetna inteligenca – skupna realizacija projektnih aktivnosti: 30 %
DP3 – opravilo 3.1: optimizacija
Realizacija: Umetno inteligenco povezujemo z različnimi modeli večfaznih sistemov. V pripravi je več publikacij na to temo.
DP3 – opravilo 3.2: reducirani modeli
Realizacija:Začeli smo z razvojem reduciranih modelov mikro-curkov na podlagi genetskih algoritmov. Izdelali smo pregledni članek uporabe genetskega programiranja v jeklarski industriji.
[3.2.1] KOVAČIČ, Miha, ŽUPERL, Uroš. Genetic programming in the steelmaking industry. Genetic programming and evolvable machines, ISSN 1389-2576. [Print ed.], Published: 07 February 2020, str. [1-30], doi: 10.1007/s10710-020-09382-5. [COBISS.SI-ID 14436867].
https://ink.springer.com/article/10.1007/s10710-020-09382-5
Delovni paket 4: eksperimentalne metode, verifikacija in validacija – skupna realizacija projektnih aktivnosti: 35 %
DP4 – opravilo 4.1: novi verifikacijski testni primeri
Realizacija: Izdelali in v vodilni reviji s področja smo objavili [4.1.1] novi testni primer za makroizcejanje, kot prvi tovrstni v osni simetriji.
[4.1.1] HATIĆ, Vanja, CISTERNAS FERNÁNDEZ, Martín, MAVRIČ, Boštjan, ZALOŽNIK, Miha, COMBEAU, Hervé, ŠARLER, Božidar. Simulation of a macrosegregation benchmark in a cylindrical coordinate system with a meshless method. International journal of thermal sciences. Aug. 2019, vol. 142, str. 121 133, ilustr. ISSN 1290-0729. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2019.04.009. [COBISS.SI-ID 1476266].
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1290072918319197?via%3Dihub
DP4 – opravilo 4.2: laboratorijske meritve v Sloveniji in Nemčiji
Realizacija: V Laboratoriju za dinamiko fluidov in termodinamiko, FS Ljubljana smo v preteklem letu postavili novo testno mesto na katerem lahko analiziramo obnašanje različnih geometrij mini šob. Celotni sistem je postavljen na togo pod konstrukcijo iz aluminijastih profilov, vrh mize pa sestavlja optična miza. Slednja omogoča enostavno poravnavo raznih elementov, kot so kamere, viri svetlobe in pozicionirni mehanizmi. Pretoke plinov kontroliramo s serijo termičnih merilnikov, za kapljevine pa je namenjena injekcijska črpalka. V trenutni konfiguraciji je predvidena uporaba hitre kamere za analizo razvoja curka v časovni domeni ter merilniki lokalnega tlaka, temperature in hitrosti v fokusirnem plinu. Izgradili smo tudi optični sistem, ki omogoča vizualno pregledovanje kvalitete izdelave šob. Pokazala se je tudi potreba po lastnih kapacitetah za izdelavo šob. Težave se pojavljajo predvsem pri času dobave in kvaliteti izdelave, saj je velikost šob, ki jih želimo testirati, na spodnjem robu zmožnosti tiskanja z uporabo »resin« tehnologije. V kolikor bi šobe izdelovali sami bi lažje optimirali nastavitve za dosego najboljših rezultatov. Izvedena je bila začetna serija meritev, s katero smo evaluirali delovanje celotnega sistema po območju predvidenih pretokov. Do sedaj smo nabavili naslednjo opremo: komponente za pod konstrukcijo mize, optična miza ter komponente za pozicioniranje elementov, sonde za meritve hitrosti, komponente sistema za optično karakterizacijo kvalitete izdelave šob, optika za hitro kamero. Od partnerjev v DESY, Hamburg smo prejeli eksperimentalne rezultate hitrosti kapljic, ki nastajajo po porušitvi mikro-curka. Na podlagi teh meritev smo dodatno verificirali naš dvofazni model [4.2.2] in naredili študijo vpliva različnih plinov na obliko mikro-curka.
[4.2.1] ZAHOOR, Rizwan, REGVAR, Rok, BAJT, Saša, ŠARLER, Božidar. A numerical study on the influence of liquid properties on gas-focused micro-jets. Progress in computational fluid dynamics. 2020, vol. 20, no. 2, str. 1-13, ilustr. ISSN 1468-4349. https://www.inderscience.com/info/ingeneral/forthcoming.php jcode=pcfd#82935, DOI: 10.1504/PCFD.2019.10024215. [COBISS.SI-ID 16803867].
https://www.inderscience.com/offer.php?id=106407
[4.2.2] ZAHOOR, Rizwan, KNOŠKA, Juraj, BAJT, Saša, ŠARLER, Božidar, Experimental and numerical investigation of the gas-focused micro-jet velocity. International Journal of Multiphase Flow (poslano v objavo 19. maja 2020).
DP4 – opravilo 4.3: industrijske meritve v Sloveniji in na Kitajskem
Realizacija: S podjetja IMPOL Slovenska Bistrica smo prejeli vzorec ofinjevalca in vzorce drogov iz zlitin AW2011 in AW7075 v litem stanju. Na vzorcu ofinjevalca se je opravila SEM/EDS analiza delcev TiB2 – velikost delcev ter njihova porazdelitev po velikostnih razredih. Na vzorcu AW2011 se je opravila točkovna kemijska analiza legirnih elementov po prečnem prerezu droga (makroizcejanje). Meritve na zlitini AW7075 so v teku. Od sodelujoče raziskovalne skupine iz Institute of Metals Research, Shenyang, Kitajska smo prejeli meritve temperatur in lite mikrostrukture procesa kontinuirnega ulivanja iz podjetja Xiwang Special Steel company. Validacija simulacijskega sistema je v teku.