Projekti / Programi
NAPREDNO BREZMREŽNO MODELIRANJE IN SIMULACIJA VEČFAZNIH SISTEMOV
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.13.01 |
Tehnika |
Procesno strojništvo |
Večfazni sistemi |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T000 |
Tehnološke vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Plinasto-kapljevito-trdni procesi, Stefanov problem, strjevanje, večfazni tok, večfizikalne in večnivojske sklopitve, napredne brezmrežne metode
Raziskovalci (19)
Organizacije (2)
Povzetek
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.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskovalni projekt sodi v temeljni del spektra raziskav Laboratorija za dinamiko fluidov in termodinamiko Fakultete za strojništvo, Univerze v Ljubljani in Laboratorija za Simulacijo Materialov in Procesov IMT. Raziskave se uvrščajo v moderno raziskovalno področje modeliranja, simulacije in optimizacije procesov in materialov, ki ima čedalje vidnejšo vlogo v mednarodnem raziskovalnem prostoru - zaradi vse večjih potreb po cenovno ugodnih izdelkih z visoko vsebnostjo znanja, novih materialih ter okolju prijaznejših tehnologijah. Vsebina naših raziskav je v ta prostor aktivno vpeta z vodilnimi temeljnimi in aplikativnimi komponetami.
Pri tem si v okviru temeljnih raziskav prizadevamo v svetovno zakladnico znanja prispevati z novimi pristopi večfizikalnega modeliranja večfaznih sistemov na več sklopljenih merilih, z naprednimi brezmrežnimi numeričnimi pristopi za modeliranje problemov s premičnimi mejami, z razvojem mednarodnih testnih primerov in referenčnimi izračuni za validacijo in verifikacijo Stefanovih problemov. Med drugim smo demonstrirali prvi razvoj in uporabo brezmrežnih metod za industrijsko relevantne probleme s turbulentnim tokom in dvofaznim tokom, prvo uporabo brezmrežnih metod pri modeliranju mikrostrukture (naša originalna metoda točkovnih avtomatov). Med drugim smo kot prvi demonstrirali od diskretizacije neodvisne rezultate makroizcejanja in predlagali prvi mednarodni testni primer kontinuirnega ulivanja.
Mednarodno izobraževanje, ki izhaja iz pričujočih raziskovalnih vsebin, je v zadnjih letih našlo svoje mesto v sodelovanju z uglednimi mednarodnimi poletnimi šolami. Nadalje se raziskave zrcalijo v podiplomskem izobraževanju v Sloveniji. Štirje podiplomski študentje bodo končali doktorske disertacije v okviru tega projekta.
S pridobljenim znanjem bomo svoj vpliv v metalurški in farmacevtski industriji ter v velikih raziskovalnih centrih lahko še dodatno razširili. V Sloveniji se samo z izdelavo zlitin ukvarja približno 100 podjetji, ki nudijo približno deset tisoč delovnih mest. Njihovi letni prihodki dosegajo 1,5 milijarde €. V Sloveniji je tudi približno 50 livarn z okoli 4000 zaposlenimi in letnim prihodkom 0,5 milijarde €. V Sloveniji so bila v preteklih letih največje industrijske investicije prav v posodobitev metalurških procesov. Omenjena podjetja v svet izvozijo približno 70% svoje proizvodnje in izkazujejo močno zanimanje za delo projektne skupine. Predlagane raziskave imajo neposredne povezave z mednarodnim raziskovalnim prostorom (EU, ZDA, Azija) preko več mednarodnih projektov.
Z napisanim demonstriramo mednarodno znanstveno in pedagoško odličnost, in relevantnost predlaganih raziskav za Slovenijo in širše. Znanstveni cilji projekta sovpadajo s prioritetami EU 2020: nanotehnologije, napredni materiali in napredni proizvodni postopki.
Pomen za razvoj Slovenije
The present research project forms a part of the fundamental research spectra, conducted at the Laboratory for Fluid Dynamics and Thermodynamics, University of Ljubljana and Laboratory for Simulation of Materials and Processes, IMT. The research project belongs to the modern research area of modelling, simulation and optimisation of processes and materials which plays an increasingly important role in international research because of the needs for inexpensive products with a large know-how input, for new materials and environmentally friendly technologies. Our research contents are actively integrated in this research area by their leading basic and applied components.
In the framework of our fundamental research, we seek new approaches in multiphysics modelling of multiphase systems at multiple scales, with advanced meshfree methods for moving boundary problems and with development of international test cases and reference solutions for validation and verification of Stefan problems. We demonstrate leading research results in all three mentioned areas. We have among others demonstrated first development and application of meshless methods to industrially relevant turbulent fluid flow problems, two-phase flow, first application of meshless methods in microstructure modelling (our original point automata method). We have among others for the first time demonstrated discretisation independent results of macrosegregation as well as suggested first international test case for continuous casting of steel.
The international education, which stems from the present research topics, found his place in cooperation with several renowned international summer schools. Further, the research project acts as a base for the graduate education in Slovenia. Four post-graduate students are expected to complete their Ph.D. studies within the project.
With the gained knowledge, we will be able to further extend our industrial impact in metallurgical and pharmaceutical industry and in large international research centers. Slovenia has approx. 100 companies only in the field of alloy manufacturing with approx. 10.000 working places, the yearly income is around 1.5 billion €. Slovenia has also approx. 50 casthouses with 4000 employees and their yearly income around 0.5 billion €. The modernization of metallurgical processes was a part of the largest recent industrial investments in Slovenia. The export of the mentioned companies all over the world is about 70%. The project team has a large end-user pull from these companies. The proposed research has a direct link to international research area (Europe, USA, Asia) through several international projects.
The written demonstrates the international scientific and education excellence, and relevance of the proposed research for Slovenia and broader. The scientific topics of the project coincide with the EU 2020 research priorities: Nanotechnologies, Advanced materials, Advanced manufacturing systems.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
