×

在基于并行自适应八叉树的网格上,用热力学一致的能量稳定Cahn-Hilliard Navier-Stokes方程模拟两相流。 (英语) Zbl 07507235号

总结:我们通过求解热力学一致的Cahn-Hilliard-Navier-Stokes方程,对不同密度下具有变形界面的两相流进行了模拟。采用(本质上)无条件能量稳定的Crank-Nicolson型时间积分方案。给出了半离散格式的能量稳定性和对流扩散Cahn-Hilliard算子解的存在性的详细证明。我们使用协调连续Galerkin有限元方法和基于残差的变分多尺度(VMS)方法离散空间项,以提供压力稳定。我们将这种方法部署在使用基于快速八叉树的自适应网格的大规模并行数值实现上。给出了求解器的详细缩放分析。数值实验显示了收敛性,并与文献中的实验结果进行了验证。

MSC公司:

76倍 流体力学
82至XX 统计力学,物质结构
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] 诺茨,P.K。;Basaran,O.A.,《收缩液丝的动力学和断裂》,J.流体力学。,512, 223-256 (2004) ·Zbl 1163.76356号
[2] Osher,S。;Fedkiw,R.,《水平集方法和动态隐式曲面》,《应用数学科学》,第153卷(2003年),施普林格出版社·Zbl 1026.76001号
[3] S.O.Unverdi。;Tryggvason,G.,《粘性、不可压缩、多流体流动的前跟踪方法》,J.Compute。物理。,100, 1, 25-37 (1992) ·兹比尔0758.76047
[4] Brackbill,J.U。;科特,D.B。;Zemach,C.,《模拟表面张力的连续体方法》,J.Compute。物理。,100, 2, 335-354 (1992) ·Zbl 0775.76110号
[5] Prosperetti,A。;Tryggvason,G.,《多相流计算方法》(2009),剑桥大学出版社·Zbl 1166.76004号
[6] Jackmin,D.,《连续表面张力法的能量方法》,(第34届AIAA航空航天科学会议和展览。第34届IAAA航空航天科技会议和展览,AIAA96(1996),美国航空航天学会:美国内华达州里诺市美国航空航天研究所),0858
[7] Jackmin,D.,扩散流体界面的接触线动力学,J.流体力学。,402, 57-88 (2000) ·Zbl 0984.76084号
[8] 安德森,D.M。;麦克法登,G.B。;Wheeler,A.A.,《流体力学中的界面扩散方法》,年。流体力学版次。,30139-165(1998年)·Zbl 1398.76051号
[9] 郭,Z。;林,P。;Lowengrub,J。;Wise,S.M.,拟不可压缩Navier-Stokes-Cahn-Hilliard系统的质量守恒和能量稳定有限差分方法:原始变量和投影型格式,计算。方法应用。机械。工程,326144-174(2017)·Zbl 1439.76121号
[10] Shokrpour Roudbari,M。;⑩伊姆塞克,G。;van Brummelen,E.H。;van der Zee,K.G.,《不同密度的扩散界面两相流模型:一种新的准不可压缩形式和线性能量稳定方法》,数学。模型方法应用。科学。,28, 04, 733-770 (2018) ·Zbl 1390.76047号
[11] Hohenberg,P。;Halperin,B.,《动态临界现象理论》,修订版。物理。,49, 3, 435-479 (1977)
[12] 维拉努埃瓦,W。;Amberg,G.,《一些通用毛细驱动流》,国际J·Multiph出版社。流量,32,9,1072-1086(2006)·兹比尔1136.76672
[13] Dong,S.,《不可压缩N相流的有效算法》,J.Compute。物理。,276, 691-728 (2014) ·Zbl 1349.76196号
[14] 谢毅。;O.沃多。;Ganapathysubramanian,B.,《不可压缩两相流:用于大密度比的扩散界面方法》,网格分辨率研究,3D图案化基板润湿问题,计算。流体,141223-234(2015)·Zbl 1390.76370号
[15] Gurtin,M.E。;Polignone,D。;Vinals,J.,用序参数Math描述的两相二元流体和不混溶流体。模型方法应用。科学。,6, 06, 815-831 (1996) ·兹比尔0857.76008
[16] Abels,H。;Garcke,H。;Grün,G.,不同密度不可压缩两相流的热力学一致、无框架扩散界面模型,数学。模型方法应用。科学。,22,03,第1150013条pp.(2012)·Zbl 1242.76342号
[17] Volker,J.,《不可压缩流动问题的有限元方法》,《计算数学书中的Springer系列》,第51卷(2016),Springer·Zbl 1358.76003号
[18] Burstede,C。;Wilcox,L.C.公司。;Ghattas,O.,P4est:八叉树森林上并行自适应网格细化的可扩展算法,SIAM J.Sci。计算。,33, 3, 1103-1133 (2011) ·Zbl 1230.65106号
[19] Sundar,H。;Sampath,R.S。;阿达瓦尼,S.S。;Davatzikos,C。;Biros,G.,使用线性八叉树进行有限元模拟的低常数并行算法,(2007年ACM/IEEE超级计算会议论文集(2007),ACM),25
[20] Sundar,H。;Sampath,R.S。;Biros,G.,平行线性八叉树的自下而上构造和2:1平衡求精,SIAM J.Sci。计算。,30, 5, 2675-2708 (2008) ·Zbl 1186.68554号
[21] Kim,J。;Kang,K。;Lowengrub,J.,《Cahn-Hilliard流体的保守多重网格方法》,J.Compute。物理。,193,2511-543(2004年)·Zbl 1109.76348号
[22] Feng,X.,两相流体流动Navier-Stokes-Cahn-Hilliard扩散界面模型的全离散有限元近似,SIAM J.Numer。分析。,44, 3, 1049-1072 (2006) ·Zbl 1344.76052号
[23] Han,D。;Wang,X.,Cahn-Hilliard-Navier-Stokes方程的一个二阶时间、唯一可解、无条件稳定的数值格式,J.Compute。物理。,290, 139-156 (2015) ·Zbl 1349.76213号
[24] 沈杰。;Yang,X.,不同密度和粘度的两相不可压缩流动的相场模型及其数值近似,SIAM J.Sci。计算。,32, 3, 1159-1179 (2010) ·Zbl 1410.76464号
[25] 沈杰。;Yang,X.,两相不可压缩流Cahn-Hilliard相场模型的能量稳定格式,Chin。数学安。,序列号。B、 743-758年5月31日(2010年)·Zbl 1400.65049号
[26] 陈,Y。;Shen,J.,《不可压缩Cahn-Hilliard Navier-Stokes相场模型的高效自适应能量稳定格式》,J.Compute。物理。,308,40-56(2016)·Zbl 1352.65229号
[27] 沈杰。;徐,J。;Yang,J.,梯度流的标量辅助变量(SAV)方法,J.Compute。物理。,353, 407-416 (2018) ·Zbl 1380.65181号
[28] 朱,G。;陈,H。;姚,J。;Sun,S.,流体动力学耦合相场模型的高效能量稳定方案,应用。数学。型号。,70, 82-108 (2019) ·Zbl 1462.76133号
[29] 休斯·T·J。;Mazzei,L。;Jansen,K.E.,大涡模拟和变分多尺度方法,计算。视觉。科学。,3, 1-2, 47-59 (2000) ·Zbl 0998.76040号
[30] 艾哈迈德,N。;Chacón Rebollo,T。;约翰·V。;Rubino,S.,《湍流不可压缩流动模拟的变分多尺度方法综述》,Arch。计算。方法工程,24,1,115-164(2017)·兹比尔1360.76105
[31] Bazilevs,Y。;卡罗,V。;科特雷尔,J。;休斯·T。;Reali,A。;Scovazzi,G.,《不可压缩流动大涡模拟的基于残差的变分多尺度湍流建模》,计算。方法应用。机械。工程,197,1-4,173-201(2007)·Zbl 1169.76352号
[32] 库佩兹,T。;Hachem,E.,用稳定有限元和自适应各向异性网格求解高雷诺数不可压缩流,计算。方法应用。机械。工程,267,65-85(2013)·Zbl 1286.76029号
[33] Hachem,E。;Feghali,S。;科迪纳,R。;Coupez,T.,流体-结构相互作用的各向异性自适应网格和整体变分多尺度方法,计算。结构。,122, 88-100 (2013)
[34] 哈切姆,E。;Khalloufi,M。;Bruchon,J。;瓦莱特,R。;Mesri,Y.,两相可压缩-不可压缩流动的统一自适应变分多尺度方法,计算。方法应用。机械。工程,308238-255(2016)·Zbl 1439.76070号
[35] Khokhlov,A.M.,自适应细化流体动力学模拟的全线程树算法,J.Compute。物理。,143, 2, 519-543 (1998) ·Zbl 0934.76057号
[36] 朱,G。;寇,J。;姚,B。;Wu,Y.-s。;姚,J。;Sun,S.,带移动接触线和可溶性表面活性剂的两相流热力学一致性建模,J.流体力学。,879, 327-359 (2019) ·Zbl 1430.76475号
[37] 朱,G。;寇,J。;姚,J。;李,A。;Sun,S.,具有可溶性表面活性剂的相场移动接触线模型,J.Comput。物理。,405,第109170条pp.(2020)·Zbl 1453.76146号
[38] 马加莱蒂,F。;皮卡诺,F。;Chinappi,M。;马里诺,L。;Casciola,C.M.,《二元流体Cahn-Hilliard/Navier-Stokes模型的尖锐界面极限》,《流体力学杂志》。,714, 95-126 (2013) ·Zbl 1284.76116号
[39] 岳,P。;周,C。;Feng,J.,运动接触线Cahn-Hilliard模型的尖锐界面极限,J.流体力学。,645, 279-294 (2010) ·Zbl 1189.76074号
[40] 沈,J。;Yang,X.,Allen-Cahn和Cahn-Hilliard方程的数值近似,离散Contin。动态。系统。,28, 4, 1669-1691 (2010) ·兹比尔1201.65184
[41] Ciarlet,P.G.,《线性和非线性函数分析及其应用》(2013),工业和应用数学学会:工业与应用数学学会,美国宾夕法尼亚州费城,9781611972580·Zbl 1293.46001号
[42] Zeidler,E.,《函数分析及其应用》,第II/B部分:非线性单调算子(1985),施普林格:施普林格-柏林·Zbl 0583.47051号
[43] Liu,W.,带局部单调算子的非线性发展方程解的存在唯一性,非线性分析。,理论方法应用。,74, 18, 7543-7561 (2011) ·Zbl 1227.35184号
[44] Oden,J.T。;Reddy,J.N.,《有限元数学理论导论》(2011),多佛
[45] 布鲁克斯,A。;Hughes,T.,对流主导流动的Streamline迎风/Petrov-Galerkin公式,特别强调不可压缩Navier-Stokes方程,计算。方法应用。机械。工程师,32,199-259(1982)·Zbl 0497.76041号
[46] Tezduyar,T。;米塔尔,S。;Ray,S。;Shih,R.,稳定双线性和线性等阶插值速度-压力元的不可压缩流计算,计算。方法应用。机械。工程,95,221-242(1992)·Zbl 0756.76048号
[47] 休斯·T·J。;斯科瓦齐,G。;Franca,L.P.,多尺度和稳定方法,(计算力学百科全书第二版(2018)),1-64
[48] Hughes,T.J.,《多尺度现象:格林函数、狄里克勒-诺依曼公式、亚网格模型、气泡和稳定方法的起源》,计算。方法应用。机械。工程师,127,1-4387-401(1995)·Zbl 0866.76044号
[49] 巴莱,S。;格罗普,W.D。;McInnes,L.C.公司。;Smith,B.F.,《面向对象数值软件库中并行性的有效管理》,(Arge,E.;Bruaset,A.M.;Langtangen,H.P.,《科学计算中的现代软件工具》(1997),Birkhäuser Press),163-202·Zbl 0882.65154号
[50] 巴莱,S。;Abhyankar,S。;M.F.亚当斯。;Brown,J。;布鲁纳,P。;Buschelman,K。;达尔星。;Dener,A。;埃伊霍特,V。;格罗普,W.D。;Karpeyev博士。;考希克,D。;Knepley,M.G。;May,D.A。;McInnes,L.C.公司。;Mills,R.T。;Munson,T。;鲁普,K。;萨南,P。;B.F.史密斯。;扎皮尼,S。;张,H。;Zhang,H.,PETSC网页(2019年)
[51] 巴莱,S。;Abhyankar,S。;M.F.亚当斯。;Brown,J。;布鲁纳,P。;Buschelman,K。;达尔星。;Dener,A。;埃伊霍特,V。;格罗普,W.D。;卡佩耶夫,D。;考希克,D。;Knepley,M.G。;May,D.A。;McInnes,L.C.公司。;Mills,R.T。;Munson,T。;鲁普,K。;萨南,P。;B.F.史密斯。;扎皮尼,S。;张,H。;Zhang,H.,PETSC用户手册(2019),阿贡国家实验室,技术代表ANL-95/11-3.11版
[52] Sundar,H。;桑帕斯,R。;Biros,G.,平行线性八叉树的自底向上构造和2:1平衡求精,SIAM J.Sci。计算。,30, 5, 2675-2708 (2008) ·兹比尔1186.68554
[53] Sundar,H。;Sampath,R.S。;阿达瓦尼,S.S。;Davatzikos,C。;Biros,G.,使用线性八叉树进行有限元模拟的低常数并行算法,(SC'07:高性能计算网络、存储和分析国际会议论文集(2007),ACM/IEEE),1-12
[54] 费尔南多,M。;Duplyakin,D。;Sundar,H.,自适应网格细化应用的机器和应用感知分区,(第26届高性能并行和分布式计算国际研讨会论文集(2017)),231-242
[55] 伯尔尼,M。;艾普斯坦,D。;Teng,S.-H.,四叉树的并行构造和质量三角剖分,国际计算杂志。地理。申请。,9, 6, 517-532 (1999) ·Zbl 1074.68630号
[56] Burstede,C。;Wilcox,L.C.公司。;Ghattas,O.,P4est:八叉树森林上并行自适应网格细化的可扩展算法,SIAM J.Sci。计算。,33, 3, 1103-1133 (2011) ·Zbl 1230.65106号
[57] Knuth,D.E.,《计算机编程的艺术》,第三卷:搜索和排序,《计算机程序设计的艺术》(1973年),艾迪森·韦斯利,ISBN 020103803·Zbl 0302.68010号
[58] Sundar,H。;比罗斯,G。;伯斯特德,C。;Rudi,J。;O.加塔斯。;Stadler,G.,《八叉树非结构化森林上的并行几何代数多重网格》,(《高性能计算、网络、存储和分析国际会议论文集》,SC'12(2012),IEEE计算机学会出版社:IEEE计算机协会出版社,美国加利福尼亚州洛斯阿拉米托斯),43:1-43:11
[59] 海辛,S.-R。;Turek,S。;库兹明,D。;北卡罗来纳州帕罗里尼。;伯曼,E。;Ganesan,S。;Tobiska,L.,《二维气泡动力学的定量基准计算》,国际期刊数值。《液体方法》,60,11,1259-1288(2009)·Zbl 1273.76276号
[60] Aland,S。;Voigt,A.,二维气泡动力学扩散界面模型的基准计算,Int.J.Numer。《液体方法》,69,3,747-761(2012)
[61] 袁海忠。;陈,Z。;舒,C。;Wang,Y。;牛,X.D。;Shu,S.,用水平集方法模拟多相流的基于自由能的表面张力模型,J.Compute。物理。,345, 404-426 (2017) ·Zbl 1378.76120号
[62] Tryggvason,G。;Unverdi,S.O.,三维Rayleigh-Taylor不稳定性的计算,物理学。流体A,流体动力学。,2, 5, 656-659 (1990)
[63] 李,X。;Jin,B。;Glimm,J.,通过TVD/AC格式和并行计算对三维Rayleigh-Taylor不稳定性进行的数值研究,J.Compute。物理。,126, 2, 343-355 (1996) ·Zbl 0858.76055号
[64] 吉蒙德,J.-L。;Quartapelle,L.,变密度不可压缩流动的投影有限元法,J.计算。物理。,165, 1, 167-188 (2000) ·Zbl 0994.76051号
[65] Tryggvason,G.,Rayleigh-Taylor不稳定性的数值模拟,J.Compute。物理。,75, 2, 253-282 (1988) ·Zbl 0638.76056号
[66] 丁·H。;Spelt,医学博士。;Shu,C.,大密度比不可压缩两相流扩散界面模型,J.Compute。物理。,226, 2, 2078-2095 (2007) ·Zbl 1388.76403号
[67] 巴加,D。;韦伯,M.,《粘性液体中的气泡:形状、尾迹和速度》,《流体力学杂志》。,105, 61-85 (1981)
[68] Tryggvason,G。;Lu,J。;比斯瓦斯,S。;Esmaeeli,A.,泡状流的直接数值模拟,(Balachandar,S.;Prosperetti,A.,IUTAM计算多相流研讨会论文集(2006),Springer:Springer Berlin,Heidelberg),273-281
[69] Hua,J。;Lou,J.,粘性液体中气泡上升的数值模拟,J.Compute。物理。,222, 2, 769-795 (2007) ·Zbl 1158.76404号
[70] 北巴尔查。;O.莱姆库尔。;Jofre,L。;Oliva,A.,《单个和多个气泡浮力驱动运动的水平集模拟》,Int.J.Heat Fluid Flow,56,91-107(2015)
[71] 严,J。;Lin,S。;Bazilevs,Y。;Wagner,G.J.,具有表面张力的多相流的等几何分析及其在上升气泡动力学中的应用,计算。流体,179777-789(2019)·兹比尔1411.76074
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不声称其完整性或完全匹配。