孔隙尺度下水结冰与融化的三维相场模拟
摘要
本工作涉及复杂三维多孔介质几何结构中水结冰与融化的数值模拟。多孔结构由一个填充玻璃珠的虚拟容器表示。相变建模在宏观尺度和微观尺度上同时进行，结合了非均匀介质中的传热以及通过Allen-Cahn方程对Gibbs-Thomson关系的相场近似。模型公式包含为特定目的定制的新组件。在宏观尺度上，表面张力效应可忽略，基于温度的相变聚焦可以替代Allen-Cahn方程。与此相反，微观尺度上的平衡态模拟允许通过假设恒定过冷度来消除热方程。数值求解采用了一种基于有限体积法和具有自适应时间步长的Runge-Kutta-Merson求解器的高效混合并行算法。讨论了不同尺度下不同模型变体的结果。在一项参数研究中，全相场模型被证明在广泛的表面张力值范围内都能给出一致的结果，当表面张力被人为夸大时，会表现出曲率诱导的预融化。当表面张力趋于实际值时，相场方法的结果趋近于简化的温度驱动相变模型的结果。此外，不同过冷度下水结冰的微观尺度模拟旨在预测未冻水含量，并将结果与文献数据进行比较。文中还讨论了数值稳定性、精度和计算成本。
引用
@article{arxiv.2401.01672,
title = {Three-dimensional phase-field simulations of water freezing and thawing at pore-scale},
author = {Pavel Strachota},
journal= {arXiv preprint arXiv:2401.01672},
year = {2024}
}
备注
Substantially improved version; the material on particle collisions was extended to full DEM simulations and published elsewhere (https://zenodo.org/doi/10.5281/zenodo.11091407). Micro-scale phase-field simulations have been added, evaluating the presence of unfrozen water content (UWC) below zero Celsius. Validation against experimental and theoretical data has been discussed