Численное усреднение для задач теплопереноса в условиях криолитозоны

Abstract

В работе рассматриваются задачи теплопереноса с учетом фазовых переходов влаги в промерзающем/протаивающем грунте. Математическая модель процессов теплопереноса с фазовым переходом описывается классической моделью Стефана и представляет собой нелинейное параболическое уравнение. Для решения задачи предложен метод численного усреднения для нелинейной задачи с использованием эффективных коэффициентов теплопроводности и объемной теплоемкости для талой и мерзлой зон. Вычисления эффективного тензора теплопроводности проводится в локальных областях (ячейки грубой сетки) и используются при построении аппроксимации на грубой сетке методом конечных элементов. Численная реализация конечно-элементной аппроксимации проведена с помощью вычислительной библиотеки FEniCS. Представлены численные результаты для двумерной и трехмерной модельных задач. The work considers heat transfer problems taking into account phase transitions of moisture in the soil. The mathematical model of heat transfer processes with phase transition is described using the classical Stefan model and is a nonlinear parabolic equation. To solve the problem, a numerical homogenization method is proposed for the nonlinear problem using the effective thermal conductivity coefficient for thawed and frozen zones. The calculation of the effective thermal conductivity tensor is carried out in local domains (coarse mesh cells) and is used to construct the approximation on a coarse mesh by the finite element method. Numerical implementation was carried out using FEniCS computational library for finite element approximation. Numerical results are presented for the model problem in two-dimensional and three-dimensional formulations.