面向非等温气-液-固相变流动的一致性、体积保持与自适应网格细化框架

本工作扩展了我们最近提出的低马赫数焓方法[1]，用于模拟包含或不包含周围气体相的相变材料（PCM）的熔化与凝固。该方法通过考虑密度变化引起的流动，捕捉PCM的体积变化（收缩或膨胀）。我们对原工作作了若干改进。首先，我们引入质量、动量和焓方程的一致性时间积分方案，提高了方法稳定性。通过演示此方案有效性，表明在无外部力和热源的情况下，系统可保守其初始质量、动量、焓及相组成，从而使系统能够在不出现不现实行为的情况下，从非等温、非平衡、相变状态过渡到等温、平衡状态。此外，我们表明低马赫数焓方法能够准确模拟热导流动，而不会引入虚假的相变。我们提出一种分析模型，用于验证涉及热源和相变的三相流动的多物理场仿真代码，这类过程在焊接和3D打印等金属制造过程中常见。传统上，验证依赖于操纵材料属性以匹配复杂实验。我们的模型使用带密度跳变的斯特凡问题（Stefan problem），提供一种针对热源和三相流动中相变的多物理场仿真的简单验证方法。最后，我们在模拟金属固化过程中孔隙缺陷（气泡捕获）时，展示了该方法的实际用途。一种场扩展技术用于在三相流动情形下准确施加表面张力力，这是气泡表面部分被困于（移动的）固化前端情况。