GEOMETRIC CONSERVATION LAW FOR FINITE VOLUME DISCRETIZATION OF STEFAN PROBLEM ON BOUNDARY-FITTED GRIDS

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The conservative finite volume scheme for heat transfer problem in two-dimensional region with moving boundaries is presented. The two-phase Stefan problem is considered as an example. To track the moving interface between solid and liquid, the front-fixing technique is applied. The time varying physical domain is mapped to a fixed computational space with regular boundaries. Finite volume approximation of governing equations is constructed in computational domain on fixed rectangular grid. The geometric conservation law is incorporated into the numerical scheme. The Jacobian and the grid velocities of the control volume are evaluated to satisfy the discrete form of the Jacobian transport equation. This procedure guarantees the enforcing of space conservation law in the physical domain. The numerical scheme inherits the basic properties of the original differential problem.

About the authors

A. O. Gusev

Keldysh Institute of Applied Mathematics of RAS

Email: aogus@mail.ru
Moscow, Russia

O. S. Mazhorova

Keldysh Institute of Applied Mathematics of RAS

Email: olgamazhor@mail.ru
Moscow, Russia

References

  1. Ferziger, J. Computational Methods for Fluid Dynamics / J. Ferziger, M. Peric. — Berlin; Heidelberg : Springer-Verlag, 2002. — 421 p.
  2. Ferziger, J. and Peric, M., Computational Methods for Fluid Dynamics, Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2002.
  3. Thomas, P.D. Geometric conservation law and its application to flow computations on moving grid / P.D. Thomas, C.K. Lombard // AIAA J. — 1979. — V. 17. — P. 1030–1037.
  4. Thomas, P.D. and Lombard, C.K., Geometric conservation law and its application to flow computations on moving grid, AIAA J., 1979, vol. 17, pp. 1030–1037.
  5. Demirdzic, I. Space conservation law in finite volume calculations of fluid flow / I. Demirdzic, M. Peric // Int. J. Numer. Methods Fluids. — 1988. — V. 8. — P. 1037–1050.
  6. Demirdzic, I. and Peric, M., Space conservation law in finite volume calculations of fluid flow, Int. J. Numer. Methods Fluids, 1988, vol. 8, pp. 1037–1050.
  7. Vinokur, M. An analysis of finite-difference and finite-volume formulations of conservation law / M. Vinokur // J. Comput. Phys. — 1989. — V. 81. — P. 1–52.
  8. Vinokur, M., An analysis of finite-difference and finite-volume formulations of conservation law, J. Comput. Phys., 1989, vol. 81, pp. 1–52.
  9. Авдюшенко, А.Ю. Численный алгоритм моделирования пространственных течений несжимаемой жидкости на подвижных сетках / А.Ю. Авдюшенко, С.Г. Черный, Д.В. Чирков // Вычислит. технологии. — 2012. — Т. 17, № 6. — C. 3–25.
  10. Avdushenko, A.Yu., Cherny, S.G., and Chirkov, D.V., Chislennyi algorithm modelirovaniya prostranstvennih techeniy neszhimaemoy zhidkosti na podvizhnih setkah (Numerical method for incompressible fluid flow simulation on moving grids), Vichislitelnie Technologii, 2012, vol. 17, no. 6, pp. 3–25.
  11. Sjogreen, B. On high order finite-difference metric discretizations satisfying GCL on moving and deforming grids / B. Sjogreen, H.C. Yee, M. Vinokur // J. Comput. Phys. — 2014. — V. 265. — P. 211–220.
  12. Sjogreen, B., Yee, H.C., and Vinokur, M., On high order finite-difference metric discretizations satisfying GCL on moving and deforming grids, J. Comput. Phys., 2014, vol. 265, pp. 211–220.
  13. A moving mesh interface tracking method for simulation of liquid–liquid systems / A.H.L.M. Charin, ˇZ. Tukovi.c, H. Jasak [et al.] // J. Comput. Phys. — 2017. — V. 334. — P. 419–441.
  14. Charin, A.H.L.M., Tukovi/c, ˇZ., Jasak, H., Silva, L.F.L.R., and Lage, P.L.C., A moving mesh interface tracking method for simulation of liquid–liquid systems, J. Comput. Phys., 2017, vol. 334, pp. 419–441.
  15. Rao, M. Moving boundary computation of the float zone process / M. Rao, W. Shyy // Int. J. Numer. Meth. Engng. — 1997. — V. 40. — P. 1231–1261.
  16. Rao, M. and Shyy, W., Moving boundary computation of the float zone process, Int. J. Numer. Meth. Engng., 1997, vol. 40, pp. 1231–1261.
  17. Kamakoti, R. Evaluation of geometric conservation law using pressure-based fluid solver and moving grid technique / R. Kamakoti, W. Shyy // Int. J. Numer. Methods for Heat and Fluid Flow. — 2003. — V. 14, № 7. — P. 851–865.
  18. Kamakoti, R. and Shyy, W., Evaluation of geometric conservation law using pressure-based fluid solver and moving grid technique, Int. J. Numer. Methods for Heat and Fluid Flow, 2003, vol. 14, no. 7, pp. 851–865.
  19. Kamakoti, R. Fluid-structure interaction for aeroelastic applications / R. Kamakoti, W. Shyy // Progress in Aerospace Sciences. — 2004. — V. 40, № 8. — P. 535–558.
  20. Kamakoti, R. and Shyy, W. Fluid-structure interaction for aeroelastic applications, Progress in Aerospace Sci., 2004, vol. 40, no. 8, pp. 535–558.
  21. Бахвалов, П.А. Рёберно-ориентированные схемы на подвижных гибридных сетках в коде NOISEtte / П.А. Бахвалов, В.А. Вершков // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша, 2018. — 36 c.
  22. Bakhvalov, P.A. and Vershkov, V.A., Roberno-oriyentirovannyye skhemy na podvizhnykh gibridnykh setkakh v kode NOISEtte (Edge-Based Schemes on Moving Hybrid Meshes in the NOISEtte Code), KIAM, 2018.
  23. Мажорова, О.С. Консервативные разностные схемы для термодиффузионной задачи Стефана / О.С. Мажорова, Ю.П. Попов, О.В. Щерица // Дифференц. уравнения. — 2013. — Т. 49, № 7. — С. 897–905.
  24. Mazhorova, O.S., Popov, Yu.P., and Shcheritsa, O.V., Conservative scheme for the thermodiffusion Stefan problem, Differ. Equat., 2013, vol. 49, no. 7, pp. 869–882.
  25. Landau, H.G. Heat conduction in a melting solid / H.G. Landau // J. Appl. Math. — 1950. — V. 8. — P. 81–94.
  26. Landau, H.G., Heat conduction in a melting solid, J. Appl. Math., 1950, vol. 8, pp. 81–94.
  27. Fletcher, C.A.J. Computational Methods in Fluid Dynamics 2 / C.A.J. Fletcher. — Berlin; Heidelberg : Springer-Verlag, 1988. — 484 p.
  28. Fletcher, C.A.J., Computational Methods in Fluid Dynamics 2, Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 1988.
  29. Discrete form of the GCL for moving meshes and its implementation in CFD schemes / H. Zhang, M. Reggio, J.Y. Trepanier, R. Camarero // Computers and Fluids. — 1993. — V. 22, № 1. — P. 9–23.
  30. Zhang, H., Reggio, M., Trepanier, J.Y., and Camarero, R., Discrete form of the GCL for moving meshes and its implementation in CFD schemes, Computers and Fluids, 1993, vol. 22, no. 1, pp. 9–23.
  31. Shyy, W. Structured moving grid and geometric conservation laws for fluid flow computation / W. Shyy, S. Pal, H.S. Udaykumar // Numerical Heat Transfer. Part A: Applications. — 1998. — V. 34, № 4. — P. 369–397.
  32. Shyy, W., Pal, S., and Udaykumar, H.S., Structured moving grid and geometric conservation laws for fluid flow computation, Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 1998, vol. 34, no. 4, pp. 369–397.
  33. Гусев, А.О. К вопросу об эквивалентности разностных методов решения задачи Стефана на подвижных и фиксированных сетках / А.О. Гусев, О.В. Щерица, О.С. Мажорова // Дифференц. уравнения. — 2021. — Т. 57, № 7. — С. 907–921.
  34. Gusev, A.O., Shcheritsa, O.V., and Mazhorova, O.S., Two equivalent finite volume schemes for Stefan problem on boundary-fitted grids: front-tracking and front-fixing techniques, Differ. Equat., 2021, vol. 57, no. 7, pp. 876–890.
  35. Gusev, A.O. Conservative finite volume strategy for investigation of solution crystal growth techniques / A.O. Gusev, O.V. Shcheritsa, O.S. Mazhorova // Computers and Fluids. — 2020. — V. 202. — Art. 104501.
  36. Gusev, A.O., Shcheritsa, O.V., and Mazhorova, O.S., Conservative finite volume strategy for investigation of solution crystal growth techniques, Computers and Fluids, 2020, vol. 202, art. 104501.
  37. Гусев, А.О. О свойствах одного разностного метода решения двухфазной задачи Стефана / А.О. Гусев, О.В. Щерица, О.С. Мажорова // Дифференц. уравнения. — 2022. — Т. 58, № 7. — С. 930–946.
  38. Gusev, A.O., Shcheritsa, O.V., and Mazhorova, O.S., On the properties of conservative finite volume scheme for the two-phase Stefan problem, Differ. Equat., 2022, vol. 58, no. 7, pp. 930–946.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».