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得到许可的 未经许可 需要身份验证 发布人:德古意特出版社 2022年3月4日

不可压缩流正则化模型的能量、动量和角动量守恒格式

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来自日志数值数学杂志

摘要

我们引入了一种新的不可压缩流体流动正则化模型,它是Navier-Stokes方程(NSE)的EMAC(能量、动量和角动量守恒)公式的正则化,我们称之为EMAC-Reg。EMAC公式已被证明是一种有用的公式,因为它可以守恒能量、动量,和角动量,即使发散约束的执行力很弱。然而,它仍然是一个NSE公式,因此如果没有非常精细的网格,就无法解决更高雷诺数的流动。通过在EMAC公式中仔细引入正则化,我们创建了一个更适合较粗网格计算的模型,但该模型仍保留与EMAC相同的数量,即能量、动量和角动量。我们表明,当用有限元空间离散化进行半离散化时,EMAC-Reg是适定的,并且是最优精度的。数值结果表明,EMAC-Reg是一种稳健的粗网格模型。

MSC 2010年:76-10;76D05型

资金报表:这项工作得到了国家科学基金拨款DMS 2011490的部分支持。

确认

克莱姆森大学(ClemsonUniversity)被公认为允许在Palmetto集群上花费大量的计算时间。

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NS的动量/角动量守恒-α和勒雷-α配方

这里我们展示了NS-α和勒雷-α如果div,公式不保持动量或角动量u个≠0和divw个≠0,其中w个表示过滤速度u个̄. 进一步说明u个=Fw公司哪里F类= −α2ΔI+.

A.1 NS系列-α

回忆NS的非线性项-α公式是

(A.1) u个t吨+(×u个)×w个+第页v(v)Δu个=(f).

测试(A.1款)带有e(电子)对于= 1, 2, 3. 应用时空散度定理并重新排列后,我们得到

(A.2) (u个t吨,e(电子))+((×u个)×w个,e(电子))+v(v)(u个,e(电子))=((f),e(电子)).

假设ν=(f)= 0, (A.2款)简化为

d日d日t吨(u个,e(电子))+((×u个)×w个,e(电子))=0

如果非线性项等于零,则动量守恒。我们现在检查一下:

((×u个)×w个,e(电子))=(×(w个×e(电子)),u个)=((·e(电子))w个,u个)((·w个)e(电子),u个)+(e(电子)·w个,u个)(w个·e(电子),u个)

其中上述两个等式来自向量恒等式。还要注意,因为e(电子)是标量向量e(电子))w个,u个) = (w个⋅ ∇e(电子),u个) = 0. 这给我们留下了

((×u个)×w个,e(电子))=((·w个)e(电子),u个)+(e(电子)·w个,u个)

我们不能得出结论为零,因此我们不能说NS-α公式保持了动量。对于角动量,我们测试(A.1款)带有φ代数计算结果类似于动量,

((×u个)×w个,φ)=((·φ)w个,u个)((·w个)φ,u个)+(φ·w个,u个)(w个·φ,u个).

自●φ=0(对于)=1,2,3,我们有

((·φ)w个,u个)=0

还记得使用(3.15)英寸定理3.3,我们有

(w个·φ,u个)=0

这给了我们

((×u个)×w个,φ)=((·w个)φ,u个)+(φ·w个,u个).

就像动量一样,我们不能得出这个量为零的结论,我们希望它不是零。

A.2勒雷-α

回忆一下勒雷的非线性项-α公式是

(A.3) u个t吨+w个·u个+第页v(v)Δu个=(f).

我们测试(答3)带有e(电子)对于=1、2、3和积分。类似于(A.2款)

(A.4) (u个t吨,e(电子))+(w个·u个,e(电子))+v(v)(u个,e(电子))=((f),e(电子)).

假设ν=(f)= 0, (A.4款)简化为

d日d日t吨(u个,e(电子))+(w个·u个,e(电子))=0

如果非线性项等于零,则动量守恒。使用(2.6)关于我们得到的非线性项

(w个·u个,e(电子))=(w个·e(电子),u个)((·w个)u个,e(电子))=((·w个)u个,e(电子))

在以下情况下不为零:w个≠ 0. 因此动量不一定守恒。

对于角动量,我们测试(答3)带有φ对于=1、2、3,并简化为

d日d日t吨(u个,φ)+(w个·u个,φ)=0

与动量证明类似,我们有非线性项

(w个·u个,φ)=(w个·φ,u个)((·w个)u个,φ)=((·w个)u个,φ)

其中第一项通过应用而消失(3.15)类似于定理3.3(以及NS的角动量证明-α附录A.1)。因此非线性项不为零,所以角动量不守恒。

收到:2020-10-08
修订日期:2021-09-09
认可的:2021年10月10日
在线发布:2022-03-04
印刷出版:2022-03-28

©2022 Walter de Gruyter GmbH,柏林/波士顿

于2024年6月6日从下载https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/jnma-2020-0080/html
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