Flexible mesh-particle coupling with preCICE

Abstract

Coupling particle-based and mesh-based solvers presents significant challenges in multiphysics simulations. This thesis explores flexible mesh-particle coupling using the preCICE coupling library. We investigate newly introduced features in preCICE version 3.2.0, specifically just-in-time data mapping and dynamic remeshing, as well as the not-yet-released coarse-graining mapping, to assess whether they enable efficient and accurate data exchange between Lagrangian particle solvers and Eulerian continuum solvers. First, we develop a one-way coupled particle tracing prototype to demonstrate key aspects of particle-based coupling with preCICE and to evaluate the achievable accuracy. Most notably, we implement a two-way coupled unresolved Computational Fluid Dynamics - Discrete Element Method (CFD-DEM) simulation using the open-source solvers OpenFOAM and LIGGGHTS. This serves as a case study that highlights the capabilities and limitations of preCICE’s current features around mesh-particle coupling. We apply our particle tracing prototype to vortex and channel flow scenarios, and our CFD-DEM coupling to single particle sedimentation and fluidized bed simulations. We find that, while just-in-time mapping works well for coupling particle-based solvers, dynamic remeshing is not currently applicable in this context. In addition, coarse-graining shows strong potential as a flexible and robust approach for mapping particles to continuum fields. Going forward, this thesis reveals opportunities for future development within the preCICE ecosystem and offers guidance for further improvements to mesh-particle coupling. Die Kopplung partikelbasierter und gitterbasierter Löser stellt eine erhebliche Herausforderung in Multiphysik-Simulationen dar. Diese Arbeit untersucht eine flexible Gitter-Partikel-Kopplung mit der preCICE-Kopplungsbibliothek. Wir analysieren neu eingeführte Funktionen in preCICE Version 3.2.0, insbesondere „Just-in-time data mapping“ und „Dynamic remeshing“, sowie das noch nicht veröffentlichte „Coarse-graining mapping“, um zu bewerten, ob sie einen effizienten und genauen Datenaustausch zwischen Lagrange’schen Partikellösern und Euler’schen Kontinuumslösern ermöglichen. Zunächst entwickeln wir einen unidirektional gekoppelten Prototyp zur Partikelverfolgung, um zentrale Aspekte der Kopplung partikelbasierter Löser mit preCICE zu demonstrieren und die erzielbare Genauigkeit zu bewerten. Zentraler Beitrag, ist die Implementierung einer bidirectional gekoppelten, unaufgelösten „Computational Fluid Dynamics - Discrete Element Method“-Simulation (CFD-DEM-Simulation) mit den quelloffenen Lösern OpenFOAM und LIGGGHTS. Diese dient als Fallstudie zur Bewertung der Möglichkeiten und Einschränkungen der aktuellen preCICE-Funktionalität rund um Gitter-Partikel-Kopplung. Wir wenden den Partikelverfolger auf Wirbel- und Kanalströmungsszenarien an und die CFD-DEM-Kopplung auf Sedimentation einzelner Partikel und Wirbelschichtsimulationen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass „Just-in-time mapping“ gut für die Kopplung partikelbasierter Löser geeignet ist, während „Dynamic remeshing“ derzeit in diesem Kontext nicht anwendbar ist. Zusätzlich erweist sich „Coarse-graining“ als vielversprechender Ansatz für eine flexible und robuste Abbildung von Partikeln auf kontinuierliche Felder. Aus dieser Arbeit ergeben sich Perspektiven für die Weiterentwicklung des preCICE-Ökosystems und die Verbesserung der Gitter-Partikel-Kopplung.