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针对三相不可压缩流动的Cahn-Hilliard相场模型,提出了一种新的高效的全解耦二阶时间精确格式。 (英语) 兹比尔1506.76193

摘要:对于三相不可压缩流动的高度耦合、非线性Cahn-Hilliard相场模型,如何建立一个具有二阶时间精度的完全解耦数值格式一直是一个很难解决的问题。本文提出了一种新的解耦方法,该方法只需在每个时间步长解几个具有常系数的解耦线性椭圆方程,即可获得二阶时间精度的数值解。其关键思想是在系统中引入两个非局部辅助变量,其中一个用于将非线性势线性化,另一个用于引入一个常微分方程来处理带有“零能源贡献“特征。我们严格证明了该格式的可解性和无条件能量稳定性,并在二维和三维进行了数值模拟,以数值验证该格式的准确性和稳定性。据作者所知,本文提出的方法是流体动力学耦合相场模型的一阶二阶全解耦格式。

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76立方英尺 三个或更多组件流
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6500万06 含偏微分方程初值和初边值问题的有限差分方法
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参考文献:

[1] Kim,J。;Lowengrub,J.,三相流的相场建模和模拟,界面自由边界。,7, 435-466 (2005) ·Zbl 1100.35088号
[2] Boyer,F。;Minjeaud,S.,三分量Cahn-Hilliard模型的数值格式,ESAIM Math。模型。数字。分析。,45, 04, 697-738 (2011) ·Zbl 1267.76127号
[3] Boyer,F。;拉普尔塔,C。;Minjeaud,S。;Piar,B。;Quintard,M.,Cahn-Hilliard/navier-stokes三相流模拟模型,交通。多孔介质,82463-483(2010)
[4] Boyer,F。;Lapuerta,C.,三组分Cahn-Hilliard流动模型研究,ESAIM数学。模型。数字。分析。,40, 4, 653-687 (2006) ·Zbl 1173.35527号
[5] 杨,X。;赵,J。;王,Q。;Shen,J.,基于不变能量求积方法的三分量Cahn-Hilliard相场模型的数值近似,M3AS Math。模型方法应用。科学。,27, 1993-2030 (2017) ·Zbl 1393.80003号
[6] 张杰。;Yang,X.,三相Cahn-Hilliard相场模型的解耦、非迭代和无条件能量稳定的大时间步进方法,J.Comput。物理。,404,第109115条pp.(2020)·Zbl 1453.76223号
[7] 张杰。;Yang,X.,基于L2颗粒流的三元相场模型的无条件能量稳定大时间步长方法,具有精确的非局部体积守恒,计算。方法应用。机械。工程,361,第112743条pp.(2020)·Zbl 1442.65186号
[8] Minjeaud,S.,三相Cahn-Hilliard/Navier-Stokes模型的无条件稳定解耦方案,Numer。方法偏微分方程,29,2584-618(2013)·Zbl 1364.76091号
[9] 沈杰。;Yang,X.,Allen-Cahn和Cahn-Hilliard方程的数值近似,离散Contin。动态。系统。A、 2016年9月28日至1691年(2010年)·Zbl 1201.65184号
[10] 蔡,Y。;Choi,H。;Shen,J.,两相不可压缩流Cahn-Hilliard和Allen-Cahn相场模型时间离散的误差估计,数值。数学。,137417-449(2017)·Zbl 1382.35184号
[11] Yu,H。;Yang,X.,具有接触线和可变密度的相场模型的解耦能量稳定格式,J.Compute。物理。,334, 665-686 (2017) ·Zbl 1375.76201号
[12] 沈杰。;Yang,X.,两相不可压缩流相场模型的解耦能量稳定格式,SIAM J.Numer。分析。,53, 1, 279-296 (2015) ·Zbl 1327.65178号
[13] 沈杰。;王,C。;王,S。;Wang,X.,《具有埃里克-施瓦贝尔型能量梯度流的二阶凸分裂格式:在薄膜外延中的应用》,SIAM J.Numer。分析。,50, 105-125 (2012) ·Zbl 1247.65088号
[14] Eyre,D.J.,《无条件梯度稳定时间推进Cahn-Hilliard方程》(微观结构演化的计算和数学模型)(加州旧金山,1998年)。微观结构演化的计算和数学模型(加利福尼亚州旧金山,1998年),马特。Res.Soc.交响乐。程序。,第529卷(1998年),MRS),39-46
[15] 怀斯,S.M。;王,C。;Lowengrub,J.S.,相场晶体方程的能量稳定收敛有限差分格式,SIAM J.Numer。分析。,47, 3, 2269-2288 (2009) ·兹比尔1201.35027
[16] 胡,Z。;怀斯,S.M。;王,C。;Lowengrub,J.S.,相场晶体方程的稳定且有效的有限差分非线性多重网格格式,J.Compute。物理。,228, 5323-5339 (2009) ·Zbl 1171.82015年
[17] 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
[18] 沈杰。;Yang,X.,一类高度非线性梯度流系统的IEQ和SAV方法及其扩展,Contemp。数学。,754, 217-245 (2020) ·Zbl 1484.65196号
[19] Yang,X.,两相不可压缩流质量守恒Allen-Cahn相场模型耦合的Navier-Stokes方程的一种新的二阶时间精度和无条件能量稳定性的全解耦格式,Internat。J.数字。方法工程(2020)
[20] 杨,X。;Yu,H.,使用不变能量求积方法的相场移动接触线模型的有效二阶无条件稳定格式,SIAM J.Sci。计算。,40,B889-B914(2018)·Zbl 1395.65095号
[21] Yang,X.,均聚物共混物相场模型的线性、一阶和二阶无条件能量稳定数值格式,J.Compute。物理。,327, 294-316 (2016) ·Zbl 1373.82106号
[22] 陈,C。;Yang,X.,带熔体对流的枝晶凝固相场模型的高效数值格式,J.Compute。物理。,388,41-62(2019)·Zbl 1452.65195号
[23] Yang,X.,耦合体积守恒多相场囊泡系统的Navier-Stokes方程的数值近似:完全解耦、线性、无条件能量稳定和二阶时间精确数值格式,计算。方法应用。机械。工程,375,第113600条pp.(2021)·Zbl 1506.76105号
[24] Yang,X.,守恒Allen-Cahn型流动耦合二元表面活性剂模型的一种新的完全解耦、二阶和能量稳定的数值格式,计算。方法应用。机械。工程师,373,第113502条,第(2021)页·Zbl 1506.65173号
[25] 沈杰。;薛,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
[26] 陈,C。;Yang,X.,各向异性Cahn Hilliard模型的快速、可证明无条件能量稳定和二阶精确算法,Comput。方法应用。机械。工程,351,35-59(2019)·Zbl 1441.74052号
[27] 杨,Z。;Dong,S.,基于隐式辅助能量变量的无条件能量稳定格式,用于不同密度的不可压缩两相流,仅涉及预计算系数矩阵,J.Compute。物理。,393, 229-257 (2018) ·Zbl 1452.76244号
[28] 杜琪。;Nicolaides,R.A.,相变连续模型的数值分析,SIAM J.Numer。分析。,28, 1310-1322 (1991) ·Zbl 0744.65089号
[29] 戈麦斯,H。;范德泽;Kristoffer,G.,计算相场建模,(计算力学百科全书(2017),John Wiley&Sons,Ltd)
[30] 戈麦斯,H。;Calo,V.M。;Bazilevs,Y。;Hughes,T.J.R.,卡恩-希拉德相场模型的等几何分析,计算。方法应用。机械。工程,197,4333-4352(2008)·Zbl 1194.74524号
[31] Romero,I.,非线性热力系统的热力学一致时间步长算法,国际。J.数字。方法工程,79,706-732(2009)·Zbl 1171.80305号
[32] 诺切托,R。;Pyo,J.-H.,《计量-Uzawa有限元法第一部分:Navier-Stokes方程》,SIAM J.Numer。分析。,43, 1043-1068 (2005) ·Zbl 1094.76041号
[33] Guermond,J.L。;Minev,P。;沈,J.,不可压缩流投影方法概述,计算。方法应用。机械。工程,195,6011-6045(2006)·兹比尔1122.76072
[34] Guermond,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) ·兹比尔0994.76051
[35] 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, 1159-1179 (2010) ·Zbl 1410.76464号
[36] Chen,W。;冯·W。;刘,Y。;王,C。;Wise,S.,Cahn-Hilliard-Hele-Shaw方程的二阶能量稳定格式,离散Contin。动态。系统。序列号。B、 24149-182(2019)·Zbl 1407.65097号
[37] 迪格尔,A。;王,C。;王,X。;Wise,S.,Cahn-Hilliard-Navier-Stokes系统二阶精确有限元方法的收敛性分析和误差估计,编号。数学。,135, 495-534 (2013) ·Zbl 1523.65081号
[38] 刘,Y。;Chen,W。;王,C。;Wise,S.,Cahn-Hilliard-Hele-Shaw系统方程混合有限元法的误差分析,数值。数学。,135, 679-709 (2017) ·Zbl 1516.65091号
[39] Chen,W。;刘,Y。;王,C。;Wise,S.,Cahn-Hilliard-Hele-Shaw方程全离散有限差分格式的收敛性分析,数学。公司。,8522231-2257(2016)·Zbl 1342.65174号
[40] 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,M2AN数学。模型。数字。分析。,44, 1049-1072 (2006) ·Zbl 1344.76052号
[41] 凯·D·。;样式,V。;Welford,R.,Cahn-Hilliard-Navier-Stokes系统的有限元近似,界面自由边界。,10, 15-43 (2008) ·Zbl 1144.35043号
[42] 沈杰。;Yang,X.,两相复杂流体相场模型的解耦能量稳定格式,SIAM J.Sci。计算。,36、B122-B145(2014)·Zbl 1288.76057号
[43] 沈杰。;杨,X。;Yu,H.,相场移动接触线模型的高效能量稳定数值格式,J.Compute。物理。,284, 617-630 (2015) ·Zbl 1351.76184号
[44] van Kan,J.,粘性不可压缩流的二阶精确压力修正方案,SIAM J.Sci。统计计算。,7, 3, 870-891 (1986) ·兹比尔0594.76023
[45] 罗林森,J.S。;Widom,B.,《毛细管分子理论》(1989),克拉伦登出版社:牛津克拉伦登出版公司
[46] 杨,X。;Feng,J.J。;刘,C。;Shen,J.,使用能量变分相场方法对射流夹断和液滴形成进行数值模拟,J.Compute。物理。,218, 417-428 (2006) ·兹比尔1158.76319
[47] 秦,T。;拉加布,S。;Yue,P.,粘性流中上升气泡与刚性表面相互作用的轴对称模拟,国际期刊Multiph。流量。,52, 60-70 (2013)
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