GPU accelerated FVM-DEM simulation of Laser Based Manufacturing in OpenFOAM®

Abstract

The simulation of laser based manufacturing processes plays a key role in theapplication in production as well as their improvement. With Computational Fluid Dynamics (CFD), the conservation laws governing laser simulations can be predicted quantitatively. As there are multiple physical phenomena involved, the accurate simulation of processes is computationally demanding. We hypothesized that computations based on the Discrete Element Method (DEM) like Lagrangian particles can be accelerated, using the parallel processing power of graphics processing units (GPU).In this thesis, an existing numerical solver using the open-source CFD software OpenFOAM ® is adapted. All computations regarding the DEM can be outsourced to the GPU, resulting in a reduction of the execution time. The software is validated against the original solver showing quantitatively similar simulation results. Depending on the accuracy of the simulation, the execution time of the GPU-accelerated solver can be more than 100 times faster.The implementation using discrete Lagrangian particles to simulate the propagation of the laser offers further advantages for the simulation of multiple reflections. Although it is possible to calculate beam propagation and reflections by solving a differential form of the radiative transport equation coupled with ray tracing, the approach gets computationally extremely expensive. With Lagrangian tracers, not only the beam propagation and energy transfer to the mesh can be simulated. Furthermore, it is possible to take into account polarization and wave effects like interference.

Die Simulation von laserbasierten Fertigungsverfahren spielt eine Schlüsselrolle bei deren Anwendung und Verbesserung. Mit Modellen der numerischen Strömungsmechanik (CFD) lassen sich Prozesse wie Laserschweißen quantitativ vorhersagen. Auf Grund der Vielzahl der physikalischen Phänomene ist die akurate Simulation solcher Prozesse sehr rechenintensiv. Wir haben die Hypothese aufgestellt, dass Berechnungen, die auf der Diskrete-Elemente-Methode (DEM) beruhen, durch den Einsatz von Grafikprozessoren (GPU) beschleunigt werden können. Im Rahmen dieser Masterarbeit wird ein bestehender CFD-Solver in der Simulationssoftware OpenFOAM ® angepasst. Alle Berechnungen der DEM können auf der Grafikkarte vorgenommen werden, wodurch die Simulationszeit reduziert wird. Die Validierung erfolgt gegenüber dem ursprünglichen Solver und zeigt quantitativ gleiche Ergebnisse. Abhängig von der eingestellten Präzision lässt sich die Simulationszeit um mehr als das 100-fache verkürzen. Die Ausbreitung des Laserstrahls lässt sich durch Lagrangesche Partikel berechnen. Dieser Ansatz vereinfacht die Simulation von Vielfachreflexionen. Zwar ist es auch möglich, die Strahlausbreitung und Reflexion durch Lösen der differenziellen Strahltransportgleichung in Kombination mit Ray-Tracing zu berechnen. Allerdings ist dieser Ansatz deutlich rechenintensiver. Durch Lagrangesche Tracer kann sowohl die Strahlausbreitung als auch der Energietransfer an das Gitternetz simuliert werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, Polarisation und Interferenz sowie weitere sekundäre Effekte einzubeziehen.