A Comparison of Numerical Strategies for Modeling the Transport Phenomena in High-Energy Laser Surface Alloying Process
Description
A comparative assessment is done on the effectiveness of some developed and reported macroscopic and mesoscopic models deployed for addressing the three-dimensional thermo-fluidic transport during high power laser surface alloying process. The macroscopic models include the most celebrated k-ε turbulence model and the large eddy simulation (LES) model, whereas a kinetic theory based lattice Boltzmann (LB) approach is invoked under the mesoscopic paradigm. The time dependent Navier-Stokes equations are transformed into the k- turbulence model by performing the Reynolds averaging technique, whereas a spatial filtering operation is used to produce the LES model. The models are suitably modified to address the turbulent melt-pool convection by using a modified eddy viscosity expression including a damping factor in the form of square root of the liquid fraction. The LB scheme utilizes three separate distribution functions to monitor the underlying hydrodynamic, thermal and compositional fields. Accordingly, the kinematic viscosity, thermal and mass diffusivities are adjusted independently. A single domain fixed-grid enthalpy-porosity approach is utilized to model the phase change phenomena in conjunction with an appropriate enthalpy updating closure scheme. The performance of these models are recorded by capturing the characteristic nature of the thermo-fluidic transport during the laser material processing. The maximum values of the pertinent parameters in the computational domain obtained from several modeling efforts are compared in order to assess their capabilities. The comparison shows that the prediction from the k-ε turbulence model is higher than the LES and LB models. Additionally, the results from all three models are compared with the available experimental results in the form of dimensionless composition of the alloyed layer along the dimensionless depth of the pool. The comparison reveals that the LB and the LES approaches are better than the k-ε turbulence approach in reproducing the experimental results.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يتم إجراء تقييم مقارن لفعالية بعض النماذج العيانية والمتوسطة التي تم تطويرها والإبلاغ عنها والتي تم نشرها لمعالجة النقل المائعي الحراري ثلاثي الأبعاد أثناء عملية خلط السبائك السطحية بالليزر عالي الطاقة. تشمل النماذج العيانية نموذج الاضطراب k - ε الأكثر شهرة ونموذج محاكاة الدوامة الكبيرة (LES)، في حين يتم استدعاء نهج بولتزمان القائم على النظرية الحركية (LB) في إطار نموذج المنظار. يتم تحويل معادلات Navier - Stokes المعتمدة على الوقت إلى نموذج الاضطراب k من خلال تنفيذ تقنية رينولدز المتوسطة، في حين يتم استخدام عملية التصفية المكانية لإنتاج نموذج LES. يتم تعديل النماذج بشكل مناسب لمعالجة الحمل الحراري لحوض الانصهار المضطرب باستخدام تعبير اللزوجة الدوامي المعدل بما في ذلك عامل التخميد في شكل الجذر التربيعي للجزء السائل. يستخدم مخطط LB ثلاث وظائف توزيع منفصلة لمراقبة المجالات الهيدروديناميكية والحرارية والتركيبية الأساسية. وفقًا لذلك، يتم ضبط اللزوجة الحركية والانتشار الحراري والكتلي بشكل مستقل. يتم استخدام نهج مسامية المحتوى الحراري لشبكة ثابتة ذات نطاق واحد لنمذجة ظواهر تغير الطور بالتزامن مع مخطط إغلاق مناسب لتحديث المحتوى الحراري. يتم تسجيل أداء هذه النماذج من خلال التقاط الطبيعة المميزة للنقل الحراري المائع أثناء معالجة المواد بالليزر. تتم مقارنة القيم القصوى للمعلمات ذات الصلة في المجال الحسابي التي تم الحصول عليها من العديد من جهود النمذجة من أجل تقييم قدراتها. تظهر المقارنة أن التنبؤ من نموذج الاضطراب k - ε أعلى من نماذج LES وLB. بالإضافة إلى ذلك، تتم مقارنة النتائج من النماذج الثلاثة مع النتائج التجريبية المتاحة في شكل تركيبة بلا أبعاد للطبقة المخلوطة على طول عمق البركة بلا أبعاد. تكشف المقارنة أن نهجي LB و LES أفضل من نهج الاضطراب k - ε في إعادة إنتاج النتائج التجريبية.Translated Description (French)
Une évaluation comparative est effectuée sur l'efficacité de certains modèles macroscopiques et mésoscopiques développés et rapportés déployés pour traiter le transport thermo-fluidique tridimensionnel pendant le processus d'alliage de surface au laser à haute puissance. Les modèles macroscopiques comprennent le modèle de turbulence k-ε le plus célèbre et le modèle de simulation de grand tourbillon (les), alors qu'une approche de Boltzmann (LB) basée sur la théorie cinétique est invoquée sous le paradigme mésoscopique. Les équations de Navier-Stokes dépendantes du temps sont transformées en modèle de turbulence k en effectuant la technique de moyennage de Reynolds, tandis qu'une opération de filtrage spatial est utilisée pour produire le modèle LES. Les modèles sont modifiés de manière appropriée pour traiter la convection turbulente du bain de fusion en utilisant une expression de viscosité de Foucault modifiée comprenant un facteur d'amortissement sous forme de racine carrée de la fraction liquide. Le schéma LB utilise trois fonctions de distribution distinctes pour surveiller les champs hydrodynamiques, thermiques et compositionnels sous-jacents. En conséquence, la viscosité cinématique, les diffusivités thermique et de masse sont ajustées indépendamment. Une approche enthalpie-porosité à grille fixe à domaine unique est utilisée pour modéliser les phénomènes de changement de phase en conjonction avec un schéma de fermeture de mise à jour d'enthalpie approprié. Les performances de ces modèles sont enregistrées en capturant la nature caractéristique du transport thermo-fluidique pendant le traitement du matériau au laser. Les valeurs maximales des paramètres pertinents dans le domaine de calcul obtenues à partir de plusieurs efforts de modélisation sont comparées afin d'évaluer leurs capacités. La comparaison montre que la prédiction du modèle de turbulence k-ε est plus élevée que LES modèles les et LB. De plus, les résultats des trois modèles sont comparés aux résultats expérimentaux disponibles sous la forme d'une composition sans dimension de la couche alliée le long de la profondeur sans dimension de la piscine. La comparaison révèle que les approches LB et LES sont meilleures que l'approche de la turbulence k-ε pour reproduire les résultats expérimentaux.Translated Description (Spanish)
Se realiza una evaluación comparativa de la efectividad de algunos modelos macroscópicos y mesoscópicos desarrollados e informados desplegados para abordar el transporte termofluídico tridimensional durante el proceso de aleación superficial con láser de alta potencia. Los modelos macroscópicos incluyen el modelo de turbulencia k-ε más célebre y el modelo de simulación de remolinos grandes (LES), mientras que se invoca un enfoque de Boltzmann (LB) basado en la teoría cinética bajo el paradigma mesoscópico. Las ecuaciones de Navier-Stokes dependientes del tiempo se transforman en el modelo de turbulencia k- realizando la técnica de promediado de Reynolds, mientras que se utiliza una operación de filtrado espacial para producir el modelo LES. Los modelos se modifican adecuadamente para abordar la convección turbulenta de masa fundida mediante el uso de una expresión de viscosidad parásita modificada que incluye un factor de amortiguación en forma de raíz cuadrada de la fracción líquida. El esquema LB utiliza tres funciones de distribución separadas para monitorear los campos hidrodinámicos, térmicos y de composición subyacentes. En consecuencia, la viscosidad cinemática, las difusividades térmica y de masa se ajustan de forma independiente. Se utiliza un enfoque de entalpía-porosidad de red fija de dominio único para modelar los fenómenos de cambio de fase junto con un esquema de cierre de actualización de entalpía apropiado. El rendimiento de estos modelos se registra capturando la naturaleza característica del transporte termofluídico durante el procesamiento del material con láser. Se comparan los valores máximos de los parámetros pertinentes en el dominio computacional obtenidos a partir de varios esfuerzos de modelado con el fin de evaluar sus capacidades. La comparación muestra que la predicción del modelo de turbulencia k-ε es mayor que los modelos LES y LB. Además, los resultados de los tres modelos se comparan con los resultados experimentales disponibles en forma de composición adimensional de la capa aleada a lo largo de la profundidad adimensional de la piscina. La comparación revela que los enfoques LB y LES son mejores que el enfoque de turbulencia k-ε para reproducir los resultados experimentales.Files
pdf.pdf
Files
(5.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:7782ed4d4fd416296599480ff55f71cc
|
5.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- مقارنة بين الاستراتيجيات العددية لنمذجة ظواهر النقل في عملية السبائك السطحية الليزرية عالية الطاقة
- Translated title (French)
- Une comparaison des stratégies numériques pour la modélisation des phénomènes de transport dans le processus d'alliage de surface laser à haute énergie
- Translated title (Spanish)
- Una comparación de estrategias numéricas para modelar los fenómenos de transporte en el proceso de aleación de superficies con láser de alta energía
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2619401524
- DOI
- 10.3389/fmech.2017.00004
References
- https://openalex.org/W1971661627
- https://openalex.org/W1974086375
- https://openalex.org/W1978300980
- https://openalex.org/W1984899867
- https://openalex.org/W2019537285
- https://openalex.org/W2023477508
- https://openalex.org/W2042274625
- https://openalex.org/W2044418067
- https://openalex.org/W2075013302
- https://openalex.org/W2077076923
- https://openalex.org/W2079067291
- https://openalex.org/W2084527224
- https://openalex.org/W2117242079
- https://openalex.org/W2165888523
- https://openalex.org/W2168228551