Solution of the one-dimensional Stefan problem with two transitions for modelling of the water freezing in a glacial crevasse

This article presents a numerical solution of the one-dimensional Stefan problem with two phase transitions, which is implemented on a non-uniform grid. The system of equations is written in a general form, i.e. it includes not only conductive, but also convective and dissipative terms. The problem...

Full description

Bibliographic Details
Main Authors: S. Popov V., С. Попов В.
Other Authors: The author is grateful to A.S. Boronina and two anonymous reviewers for fruitful criticism. The study was financially supported by the Russian Science Foundation No. 22-27-00266., Автор выражает благодарность А.С. Борониной и двум анонимным рецензентам за конструктивную критику настоящей работы. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда № 22-27- 00266.
Format: Article in Journal/Newspaper
Language:Russian
Published: IGRAS 2023
Subjects:
Online Access:https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/1157
https://doi.org/10.31857/S2076673423010131
id ftjias:oai:oai.ice.elpub.ru:article/1157
record_format openpolar
institution Open Polar
collection Ice and Snow (E-Journal)
op_collection_id ftjias
language Russian
topic mathematical modelling;numerical solution;Stefan problem;finite difference schemes;ice crevasses;Antarctica
математическое моделирование;численное решение;задача Стефана;конечноразностные схемы;ледниковые трещины;Антарктида
spellingShingle mathematical modelling;numerical solution;Stefan problem;finite difference schemes;ice crevasses;Antarctica
математическое моделирование;численное решение;задача Стефана;конечноразностные схемы;ледниковые трещины;Антарктида
S. Popov V.
С. Попов В.
Solution of the one-dimensional Stefan problem with two transitions for modelling of the water freezing in a glacial crevasse
topic_facet mathematical modelling;numerical solution;Stefan problem;finite difference schemes;ice crevasses;Antarctica
математическое моделирование;численное решение;задача Стефана;конечноразностные схемы;ледниковые трещины;Антарктида
description This article presents a numerical solution of the one-dimensional Stefan problem with two phase transitions, which is implemented on a non-uniform grid. The system of equations is written in a general form, i.e. it includes not only conductive, but also convective and dissipative terms. The problem is solved numerically by the front-fixing method on a non-uniform grid using an implicit finite-difference scheme, which is implemented by the sweep method. This algorithm can also be used to create more complex mathematical models of heat and mass transfer, as well as to describe glacial and subglacial processes. The mathematical apparatus proposed in the article was used to solve a specific problem of water freezing in a glacial crevasse. The presence and progression of crevasses, in turn, is a demonstrative factor indicating the dynamic activity of the glacier. Crevasses formed in one way or another can not only expand, but also decrease in size until they completely disappear. One of the reasons for their closure is the freezing of near-surface meltwater in the crevasse. Such a process was observed on glaciers near Mirny and Novolazarevskaya stations (East Antarctica). This process is modeled as an example of solving the Stefan problem. It is believed that all media are homogeneous and isotropic. The temperature of the water in the crevasse corresponds to the melting temperature of the ice. Modeling has shown that for the coastal part of the cold Antarctic glacier with an average temperature of –10°C and below, crevasses 5–10 cm of width freeze in less than a week. Wider ones freeze a little longer. 30 cm wide crevasses close in about two to three weeks, depending on the temperature of the glacier. Представлено численное решение одномерной задачи Стефана с двумя фазовыми границами в виде конечно-разностных схем, реализованных на неравномерной сетке. Уравнения записаны в наиболее общей форме, то есть включают в себя не только кондуктивный, но также конвективный и диссипативный члены. В качестве примера выполнено ...
author2 The author is grateful to A.S. Boronina and two anonymous reviewers for fruitful criticism. The study was financially supported by the Russian Science Foundation No. 22-27-00266.
Автор выражает благодарность А.С. Борониной и двум анонимным рецензентам за конструктивную критику настоящей работы. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда № 22-27- 00266.
format Article in Journal/Newspaper
author S. Popov V.
С. Попов В.
author_facet S. Popov V.
С. Попов В.
author_sort S. Popov V.
title Solution of the one-dimensional Stefan problem with two transitions for modelling of the water freezing in a glacial crevasse
title_short Solution of the one-dimensional Stefan problem with two transitions for modelling of the water freezing in a glacial crevasse
title_full Solution of the one-dimensional Stefan problem with two transitions for modelling of the water freezing in a glacial crevasse
title_fullStr Solution of the one-dimensional Stefan problem with two transitions for modelling of the water freezing in a glacial crevasse
title_full_unstemmed Solution of the one-dimensional Stefan problem with two transitions for modelling of the water freezing in a glacial crevasse
title_sort solution of the one-dimensional stefan problem with two transitions for modelling of the water freezing in a glacial crevasse
publisher IGRAS
publishDate 2023
url https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/1157
https://doi.org/10.31857/S2076673423010131
long_lat ENVELOPE(93.009,93.009,-66.553,-66.553)
geographic Antarctic
East Antarctica
Mirny
geographic_facet Antarctic
East Antarctica
Mirny
genre Annals of Glaciology
Antarc*
Antarctic
Antarctica
East Antarctica
Антарктида
genre_facet Annals of Glaciology
Antarc*
Antarctic
Antarctica
East Antarctica
Антарктида
op_source Ice and Snow; Том 63, № 1 (2023); 130-140
Лёд и Снег; Том 63, № 1 (2023); 130-140
2412-3765
2076-6734
op_relation https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/1157/654
Глазовский А.Ф., Мачерет Ю.Я. Вода в ледниках. Методы и результаты геофизических и дистанционных исследований. М.: ГЕОС, 2014. 528 с.
Казко Г.В., Саватюгин Л.М., Сократова И.Н. Моделирование циркуляции воды в антарктическом подледниковом озере Восток // Лёд и Снег. 2012. № 4. С. 86–91. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2012-4-86-91
Краслоу Г., Едгер Д. Теплопроводность твёрдых тел. М.: Наука, 1964. 488 с.
Кольцова Э., Скичко А., Женса А. Численные методы решения уравнений математической физики и химии. М.: Юрайт, 2020. 220 с.
Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Разностные методы решения задач теплопроводности: учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. 172 с.
Патерсон У.С.Б. Физика ледников. М.: Мир, 1984. 472 с.
Попов С.В., Кашкевич М.П., Боронина А.С. Состояние взлетно-посадочной полосы станции Новолазаревская (Восточная Антарктида) и оценка безопасности её эксплуатации по данным исследований 2021 г. // Лёд и Снег. 2022. Т. 62. № 4. С. 621–636.
Попов С.В., Поляков С.П., Пряхин С.С., Мартьянов В.Л., Лукин В.В. Строение верхней части ледника в районе планируемой взлетно-посадочной полосы станции Мирный, Восточная Антарктида (по материалам работ 2014/15 года) // Криосфера Земли. 2017. Т. XXI. № 1. С. 73–84.
Рыбак О.О., Рыбак Е.А. Алгоритм решения системы уравнений течения льда в трёхмерной математической модели // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2010. № 6. С. 117–121.
Самарский А.А. Теория разносных схем. М.: Наука, 1977. 656 с.
Смирнов В.И. Курс высшей математики. Т. 2. М.: Наука, 1974. 656 с.
Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. 736 с.
Alley R.B., Dupont T.K., Parizek B.R., Anandakrishnan S. Access of surface meltwater to beds of sub-freezing glaciers: preliminary insights // Annals of Glaciology. 2005. V. 40. P. 8–14.
Budd W.F. The dynamics of ice masses. ANARE Sci. Rep. Publ. 1969. V. 108, 212 p.
Greve R. A continuum-mechanical formulation for shallow polythermal ice sheets // Philos. Transaction Royal Society. London, 1997. V. 355. № 1726. P. 921–974.
Greve R., Blatter H. Dynamics of ice sheets and glaciers. Springer Science & Business Media, 2009. 300 p.
Huybrechts P. The Antarctic ice sheet and environmental change: a three-dimensional modelling study // Ber. Polarforsch. 1992. V. 99. 244 p.
Nye J.F. Water flow in glaciers: jökulhlaups, tunnels, and veins // Journ. of Glaciology. 1976. V. 17. № 76. P. 181–207.
Pattyn F. A new three-dimensional higher-order thermomechanical ice sheet model: Basic sensitivity, ice stream development, and ice flow across subglacial lakes // Journ. of Geophys. Research. 2003. V. 108. № B8. 2382 p.
Poinar K., Joughin I., Lilien D., Brucker L., Kehrl L., Nowicki S. Drainage of Southeast Greenland Firn Aquifer Water through Crevasses to the Bed // Journ. of Front. Earth Sci. 2017. V. 5. 5 p. https://doi.org/10.3389/feart.2017.00005
Thoma M., Grosfeld K., Mayer C. Modelling mixing and circulation in subglacial Lake Vostok, Antarctica // Ocean Dynamics. 2007. V. 57. № 6. P. 531–540.
van der Veen C.J. Fracture propagation as means of rapidly transferring surface meltwater to the base of glaciers // Geophys. Research Letters. 2007. № 34. L01501. https://doi.org/10.1029/2006GL028385
https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/1157
doi:10.31857/S2076673423010131
op_rights Authors who publish with this journal agree to the following terms:Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access).
Авторы, публикующие статьи в данном журнале, соглашаются на следующее:Авторы сохраняют за собой авторские права и предоставляют журналу право первой публикации работы, которая по истечении 6 месяцев после публикации автоматически лицензируется на условиях Creative Commons Attribution License , что позволяет другим распространять данную работу с обязательным сохранением ссылок на авторов оригинальной работы и оригинальную публикацию в этом журнале.Редакция журнала будет размещать принятую для публикации статью на сайте журнала до выхода её в свет (после утверждения к печати редколлегией журнала). Авторы также имеют право размещать их работу в сети Интернет (например в институтском хранилище или персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу (См. The Effect of Open Access).
op_doi https://doi.org/10.31857/S207667342301013110.15356/2076-6734-2012-4-86-9110.3389/feart.2017.0000510.1029/2006GL028385
_version_ 1771543816101167104
spelling ftjias:oai:oai.ice.elpub.ru:article/1157 2023-07-16T03:51:52+02:00 Solution of the one-dimensional Stefan problem with two transitions for modelling of the water freezing in a glacial crevasse Решение одномерной задачи Стефана с двумя фазовыми границами на примере моделирования замерзания воды в ледниковой трещине S. Popov V. С. Попов В. The author is grateful to A.S. Boronina and two anonymous reviewers for fruitful criticism. The study was financially supported by the Russian Science Foundation No. 22-27-00266. Автор выражает благодарность А.С. Борониной и двум анонимным рецензентам за конструктивную критику настоящей работы. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда № 22-27- 00266. 2023-04-13 application/pdf https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/1157 https://doi.org/10.31857/S2076673423010131 rus rus IGRAS https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/1157/654 Глазовский А.Ф., Мачерет Ю.Я. Вода в ледниках. Методы и результаты геофизических и дистанционных исследований. М.: ГЕОС, 2014. 528 с. Казко Г.В., Саватюгин Л.М., Сократова И.Н. Моделирование циркуляции воды в антарктическом подледниковом озере Восток // Лёд и Снег. 2012. № 4. С. 86–91. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2012-4-86-91 Краслоу Г., Едгер Д. Теплопроводность твёрдых тел. М.: Наука, 1964. 488 с. Кольцова Э., Скичко А., Женса А. Численные методы решения уравнений математической физики и химии. М.: Юрайт, 2020. 220 с. Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Разностные методы решения задач теплопроводности: учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2007. 172 с. Патерсон У.С.Б. Физика ледников. М.: Мир, 1984. 472 с. Попов С.В., Кашкевич М.П., Боронина А.С. Состояние взлетно-посадочной полосы станции Новолазаревская (Восточная Антарктида) и оценка безопасности её эксплуатации по данным исследований 2021 г. // Лёд и Снег. 2022. Т. 62. № 4. С. 621–636. Попов С.В., Поляков С.П., Пряхин С.С., Мартьянов В.Л., Лукин В.В. Строение верхней части ледника в районе планируемой взлетно-посадочной полосы станции Мирный, Восточная Антарктида (по материалам работ 2014/15 года) // Криосфера Земли. 2017. Т. XXI. № 1. С. 73–84. Рыбак О.О., Рыбак Е.А. Алгоритм решения системы уравнений течения льда в трёхмерной математической модели // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2010. № 6. С. 117–121. Самарский А.А. Теория разносных схем. М.: Наука, 1977. 656 с. Смирнов В.И. Курс высшей математики. Т. 2. М.: Наука, 1974. 656 с. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. 736 с. Alley R.B., Dupont T.K., Parizek B.R., Anandakrishnan S. Access of surface meltwater to beds of sub-freezing glaciers: preliminary insights // Annals of Glaciology. 2005. V. 40. P. 8–14. Budd W.F. The dynamics of ice masses. ANARE Sci. Rep. Publ. 1969. V. 108, 212 p. Greve R. A continuum-mechanical formulation for shallow polythermal ice sheets // Philos. Transaction Royal Society. London, 1997. V. 355. № 1726. P. 921–974. Greve R., Blatter H. Dynamics of ice sheets and glaciers. Springer Science & Business Media, 2009. 300 p. Huybrechts P. The Antarctic ice sheet and environmental change: a three-dimensional modelling study // Ber. Polarforsch. 1992. V. 99. 244 p. Nye J.F. Water flow in glaciers: jökulhlaups, tunnels, and veins // Journ. of Glaciology. 1976. V. 17. № 76. P. 181–207. Pattyn F. A new three-dimensional higher-order thermomechanical ice sheet model: Basic sensitivity, ice stream development, and ice flow across subglacial lakes // Journ. of Geophys. Research. 2003. V. 108. № B8. 2382 p. Poinar K., Joughin I., Lilien D., Brucker L., Kehrl L., Nowicki S. Drainage of Southeast Greenland Firn Aquifer Water through Crevasses to the Bed // Journ. of Front. Earth Sci. 2017. V. 5. 5 p. https://doi.org/10.3389/feart.2017.00005 Thoma M., Grosfeld K., Mayer C. Modelling mixing and circulation in subglacial Lake Vostok, Antarctica // Ocean Dynamics. 2007. V. 57. № 6. P. 531–540. van der Veen C.J. Fracture propagation as means of rapidly transferring surface meltwater to the base of glaciers // Geophys. Research Letters. 2007. № 34. L01501. https://doi.org/10.1029/2006GL028385 https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/1157 doi:10.31857/S2076673423010131 Authors who publish with this journal agree to the following terms:Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access). Авторы, публикующие статьи в данном журнале, соглашаются на следующее:Авторы сохраняют за собой авторские права и предоставляют журналу право первой публикации работы, которая по истечении 6 месяцев после публикации автоматически лицензируется на условиях Creative Commons Attribution License , что позволяет другим распространять данную работу с обязательным сохранением ссылок на авторов оригинальной работы и оригинальную публикацию в этом журнале.Редакция журнала будет размещать принятую для публикации статью на сайте журнала до выхода её в свет (после утверждения к печати редколлегией журнала). Авторы также имеют право размещать их работу в сети Интернет (например в институтском хранилище или персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу (См. The Effect of Open Access). Ice and Snow; Том 63, № 1 (2023); 130-140 Лёд и Снег; Том 63, № 1 (2023); 130-140 2412-3765 2076-6734 mathematical modelling;numerical solution;Stefan problem;finite difference schemes;ice crevasses;Antarctica математическое моделирование;численное решение;задача Стефана;конечноразностные схемы;ледниковые трещины;Антарктида info:eu-repo/semantics/article info:eu-repo/semantics/publishedVersion 2023 ftjias https://doi.org/10.31857/S207667342301013110.15356/2076-6734-2012-4-86-9110.3389/feart.2017.0000510.1029/2006GL028385 2023-06-25T17:53:38Z This article presents a numerical solution of the one-dimensional Stefan problem with two phase transitions, which is implemented on a non-uniform grid. The system of equations is written in a general form, i.e. it includes not only conductive, but also convective and dissipative terms. The problem is solved numerically by the front-fixing method on a non-uniform grid using an implicit finite-difference scheme, which is implemented by the sweep method. This algorithm can also be used to create more complex mathematical models of heat and mass transfer, as well as to describe glacial and subglacial processes. The mathematical apparatus proposed in the article was used to solve a specific problem of water freezing in a glacial crevasse. The presence and progression of crevasses, in turn, is a demonstrative factor indicating the dynamic activity of the glacier. Crevasses formed in one way or another can not only expand, but also decrease in size until they completely disappear. One of the reasons for their closure is the freezing of near-surface meltwater in the crevasse. Such a process was observed on glaciers near Mirny and Novolazarevskaya stations (East Antarctica). This process is modeled as an example of solving the Stefan problem. It is believed that all media are homogeneous and isotropic. The temperature of the water in the crevasse corresponds to the melting temperature of the ice. Modeling has shown that for the coastal part of the cold Antarctic glacier with an average temperature of –10°C and below, crevasses 5–10 cm of width freeze in less than a week. Wider ones freeze a little longer. 30 cm wide crevasses close in about two to three weeks, depending on the temperature of the glacier. Представлено численное решение одномерной задачи Стефана с двумя фазовыми границами в виде конечно-разностных схем, реализованных на неравномерной сетке. Уравнения записаны в наиболее общей форме, то есть включают в себя не только кондуктивный, но также конвективный и диссипативный члены. В качестве примера выполнено ... Article in Journal/Newspaper Annals of Glaciology Antarc* Antarctic Antarctica East Antarctica Антарктида Ice and Snow (E-Journal) Antarctic East Antarctica Mirny ENVELOPE(93.009,93.009,-66.553,-66.553)