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Search results
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Computational Fluid Dynamics in Unconsolidated Sediments: Model Generation and Discrete Flow SimulationsNaumov, Dmitri 02 March 2016 (has links) (PDF)
Numerical solutions of the Navier-Stokes Equations became more popular in recent decades with increasingly accessible and powerful computational resources. Simulations in reconstructed or artificial pore geometries are often performed to gain insight into microscopic fluid flow structures or are used for upscaling quantities of interest, like hydraulic conductivity. A physically adequate representation of pore-scale flow fields requires analysis of large domains.
We solve the incompressible NSE in artificial ordered and random pore-space structures. A simple cubic and face-centred packings of spheres placed in a square duct are analysed. For the fluid flow simulations of random media, packings of spheres, icosahedra, and cubes forming unconsolidated sediments are generated using a rigid body simulation software. The Direct Numerical Simulation method is used for the solution of the NSE implemented in the open-source computational fluid dynamics software OpenFOAM.
The influence of the number of spheres in ordered packings, the mesh type, and the mesh resolution is investigated for fluid flow up to Reynolds numbers of 100 based on the spheres' diameter. The random media mesh generation method relies on approximate surface reconstruction. The resulting tetrahedral meshes are then used for steady-state simulations and refined based on an a-posteriori error estimator.
The fluid flow simulation results can further be used twofold:
1) They provide homogenized hydro-mechanical properties of the analysed medium for the larger meso and macro groundwater flow simulations. A concept of one-way binding for large-scale simulations is presented.
2) Visualisation: A post-processing image rendering technique was employed in interactive and still image visualisation environments allowing better overview over local fluid flow structures.
The ogs FEM code for the solution of large-scale groundwater processes was inspected for computational efficiency. The conclusions drawn from this analysis formed the~basis for the implementation of the~new version of the code---ogs6. The improvements include comparison of linear algebra software realisations and an implementation of optimized memory access patterns in FEM-local assembler part.
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Numerical Simulation of Reactive Transport Problems in Porous Media Using Global Implicit ApproachZolfaghari, Reza 25 February 2016 (has links) (PDF)
This thesis focuses on solutions of reactive transport problems in porous media. The principle mechanisms of flow and reactive mass transport in porous media are investigated. Global implicit approach (GIA), where transport and reaction are fully coupled, and sequential noniterative approach (SNIA) are implemented into the software OpenGeoSys (OGS6) to couple chemical reaction and mass transport. The reduction scheme proposed by Kräutle is used in GIA to reduce the number of coupled nonlinear differential equations. The reduction scheme takes linear combinations within mobile species and immobile species and effectively separates the reaction-independent linear differential equations from coupled nonlinear ones (i.e. reducing the number of primary variables in the nonlinear system). A chemical solver is implemented using semi-smooth Newton iteration which employs complementarity condition to solve for equilibrium mineral reactions. The results of three benchmarks are used for code verification. Based on the solutions of these benchmarks, it is shown that GIA with the reduction scheme is faster (ca. 6.7 times) than SNIA in simulating homogeneous equilibrium reactions and (ca. 24 times) in simulating kinetic reaction. In simulating heterogeneous equilibrium mineral reactions, SNIA outperforms GIA with the reduction scheme by 4.7 times. / Diese Arbeit konzentriert sich auf die numerische Berechnung reaktiver Transportprobleme in porösen Medien. Es werden prinzipielle Mechanismen von Fluidströmung und reaktive Stofftransport in porösen Medien untersucht. Um chemische Reaktionen und Stofftransport zu koppeln, wurden die Ansätze Global Implicit Approach (GIA) sowie Sequential Non-Iterative Approach (SNIA) in die Software OpenGeoSys (OGS6) implementiert. Das von Kräutle vorgeschlagene Reduzierungsschema wird in GIA verwendet, um die Anzahl der gekoppelten nichtlinearen Differentialgleichungen zu reduzieren. Das Reduzierungsschema verwendet Linearkombinationen von mobilen und immobile Spezies und trennt die reaktionsunabhngigen linearen Differentialgleichungen von den gekoppelten nichtlinearen Gleichungen (dh Verringerung der Anzahl der Primärvariablen des nicht-linearen Gleichungssystems). Um die Gleichgewichtsreaktionen der Mineralien zu berechnen, wurde ein chemischer Gleichungslaser auf Basis von ”semi-smooth Newton-Iterations” implementiert. Ergebnisse von drei Benchmarks wurden zur Code-Verifikation verwendet. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Simulation homogener Equilibriumreaktionen mit GIA 6,7 mal schneller und bei kinetischen Reaktionen 24 mal schneller als SNIA sind. Bei Simulationen heterogener Equilibriumreaktionen ist SNIA 4,7 mal schneller als der GIA Ansatz.
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Methodenentwicklung zur Simulation von Strömungen mit freier Oberfläche unter dem Einfluss elektromagnetischer WechselfelderBeckstein, Pascal 16 February 2018 (has links) (PDF)
Im Bereich der industriellen Metallurgie und Kristallzüchtung treten bei zahlreichen Anwendungen, wo magnetische Wechselfelder zur induktiven Beeinflussung von leitfähigen Werkstoffen eingesetzt werden, auch Strömungen mit freier Oberfläche auf. Das Anwendungsspektrum reicht dabei vom einfachen Aufschmelzen eines Metalls in einem offenen Tiegel bis hin zur vollständigen Levitation. Auch der sogenannte RGS-Prozess, ein substratbasiertes Kristallisationsverfahren zur Herstellung siliziumbasierter Dünnschichtmaterialien, ist dafür ein Beispiel. Um bei solchen Prozessen die Interaktion von Magnetfeld und Strömung zu untersuchen, ist die numerische Simulationen ein wertvolles Hilfsmittel. Für beliebige dreidimensionale Probleme werden entsprechende Berechnungen bisher durch eine externe Kopplung kommerzieller Programme realisiert, die für Magnetfeld und Strömung jeweils unterschiedliche numerische Techniken nutzen. Diese Vorgehensweise ist jedoch im Allgemeinen mit unnötigem Rechenaufwand verbunden. In dieser Arbeit wird ein neu entwickelter Methodenapparat auf Basis der FVM vorgestellt, mit welchem sich diese Art von Berechnungen effizient durchführen lassen. Mit der Implementierung dieser Methoden in foam-extend, einer erweiterten Version der quelloffenen Software OpenFOAM, ist daraus ein leistungsfähiges Werkzeug in Form einer freien Simulationsplattform entstanden, welches sich durch einen modularen Aufbau leicht erweitern lässt. Mit dieser Plattform wurden in foam-extend auch erstmalig dreidimensionale Induktionsprozesse im Frequenzraum gelöst.
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