×

低马赫数下液气流动的界面捕捉方法。 (英语) Zbl 1521.76522号

摘要:多相、可压缩和粘性流动在广泛的科学和工程问题中至关重要。尽管在过去的几十年中,为了开发准确高效的数值技术来解决这类问题付出了大量努力,但目前的模型仍需进一步改进,以满足实际应用的需要。在这种情况下,我们提出了一种数值方法来模拟低马赫数范围内可压缩和不可压缩相相互作用的多相粘性流动。在这个框架中,声学被忽略,但可压缩相的大密度变化以及传热、对流和扩散过程都可以被解释。该问题是在一个完全欧拉框架中解决的,该框架利用了Navier-Stokes方程的低马赫数渐近展开式。流体体积法(VOF)用于捕获液气界面,该界面建立在大规模并行求解器之上,在时间和空间上均达到二阶精度。隐式处理二阶压力项,并使用特征展开法,采用稳健且新颖的公式,求解所得到的压力方程。我们对理论方法进行了详细完整的描述,并提供了有关数值技术和实现细节的信息。针对五个不同的测试用例提供了基准测试的结果。

MSC公司:

76M20码 有限差分方法在流体力学问题中的应用
6500万06 偏微分方程初值和初边值问题的有限差分方法
76T10型 液气两相流,气泡流
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] 希特,C.W。;Nichols,B.D.,自由边界动力学的流体体积(VOF)方法,计算物理杂志,39,1,201-225(1981)·Zbl 0462.76020号
[2] Elghobashi,S.,《充满液滴或气泡的湍流直接数值模拟》,《流体力学年鉴》,51,217-244(2019)·Zbl 1412.76046号
[3] Tanguy,S。;萨根,M。;拉兰内,B。;Couderc,F。;Colin,C.,《沸腾流动模拟的基准和数值方法》,《计算物理杂志》,264,1-22(2014)·兹比尔1349.76853
[4] Le Martelot,S。;索雷尔,R。;Nkonga,B.,《朝向核沸腾流动的直接数值模拟》,《国际多相流杂志》,66,62-78(2014)
[5] 萨尔瓦多,F。;罗梅罗,J。;Roselló,M。;Jaramillo,D.,低喷射压力下柴油喷雾一次雾化的数值模拟,J Comput Appl Math,291,94-102(2016)·Zbl 1329.76356号
[6] 杜蕾特,B。;Reveillon,J。;Menard,T。;Demoulin,F.,《通过两相流DNS改进一次雾化建模》,《国际多相流杂志》,55,130-137(2013)
[7] 皮卡诺,F。;Breugem,W.P。;Brandt,L.,《中性浮球稠密悬浮液的湍流槽道流》,《流体力学杂志》,764,463-487(2015)
[8] 北卡罗来纳州Balcázar。;O.莱姆库尔。;Jofre,L。;里戈拉,J。;Oliva,A.,非结构化网格上两相流模拟的流体体积/水平集耦合方法,计算流体,124,12-29(2016)·Zbl 1390.76048号
[9] 科特特,G.H。;Maitre,E.,《多相流和流体-结构相互作用问题的半隐式水平集方法》,《计算物理杂志》,314,80-92(2016)·Zbl 1349.76446号
[10] Ardekani,M。;Rosti,M。;Brandt,L.,有限尺寸球形颗粒在具有粘性超弹性壁的通道中的湍流,《流体力学杂志》,873,410-440(2019)·Zbl 1421.76239号
[11] 科斯塔,P。;皮卡诺,F。;勃兰特,L。;Breugem,W.P.,稠密悬浮液湍流壁边界流中有限粒径的影响,流体力学杂志,843450-478(2018)·兹比尔1430.76468
[12] Rosti,M.E。;De Vita,F。;Brandt,L.,剪切流中乳化液的数值模拟,《机械学报》,230,2667-682(2019)·Zbl 1412.76069号
[13] Dalla Barba,F。;Picano,F.,湍流射流中稀释液滴蒸发的聚集和夹带效应,《物理评论流体》,3,3,034304(2018)
[14] Rosti,M.E。;皮卡诺,F。;Brandt,L.,复杂流体的数值方法,流动物质,1-34(2019),Springer
[15] 希特,C.W。;阿姆斯登,A.A。;库克,J.,《所有流速的任意拉格朗日-欧拉计算方法》,《计算物理杂志》,14,3,227-253(1974)·Zbl 0292.76018号
[16] 休斯·T·J。;刘伟凯。;Zimmermann,T.K.,不可压缩粘性流的拉格朗日-欧拉有限元公式,计算方法应用机械工程,29,3,329-349(1981)·兹比尔04827.6039
[17] Ganesan,S。;Tobiska,L.,用任意拉格朗日-欧拉有限元法计算含可溶性表面活性剂的两相流,《计算物理杂志》,231,9,3685-3702(2012)·Zbl 1402.76072号
[18] S.O.Unverdi。;Tryggvason,G.,粘性、不可压缩、多流体流动的前跟踪方法,《计算物理杂志》,100,1,25-37(1992)·Zbl 0758.76047号
[19] Peskin,C.S.,《心脏瓣膜周围的流动模式:一种数值方法》,《计算物理杂志》,10,2,252-271(1972)·Zbl 0244.9202号
[20] Breugem,W.P.,《颗粒流完全解析模拟的二阶精确浸没边界法》,《计算物理杂志》,231,13,4469-4498(2012)·Zbl 1245.76064号
[21] 米塔尔·R。;Iacarino,G.,浸没边界法,《流体力学年鉴》,37,239-261(2005)·Zbl 1117.76049号
[22] Haeri,S。;Shrimpton,J.,《关于浸没边界、虚拟域和体协调网格方法在多颗粒多相流中的应用》,《国际多相流杂志》,40,38-55(2012)
[23] Kempe,T。;Fröhlich,J.,《模拟含颗粒流动的改进浸没边界法》,《计算物理杂志》,231,9,3663-3684(2012)·兹比尔1402.76143
[24] 萨斯曼,M。;Ohta,M.,《处理不可压缩两相流中表面张力的稳定有效方法》,SIAM科学计算杂志,31,4,2447-2471(2009)·Zbl 1387.76107号
[25] 萨斯曼,M。;斯梅雷卡,P。;Osher,S.,《计算不可压缩两相流解的水平集方法》,《计算物理杂志》,114,1,146-159(1994)·Zbl 0808.76077号
[26] Osher,S。;Sethian,J.A.,《以曲率相关速度传播的前沿:基于Hamilton-Jacobi公式的算法》,《计算物理杂志》,79,1,12-49(1988)·Zbl 0659.65132号
[27] Gibou,F。;Fedkiw,R。;Osher,S.,《水平集方法及其最新应用综述》,《计算物理杂志》,353,82-109(2018)·Zbl 1380.65196号
[28] Sethian,J.A。;Smereka,P.,流体界面的液位设置方法,《流体力学年鉴》,35,1,341-372(2003)·Zbl 1041.76057号
[29] 斯卡多维利,R。;Zaleski,S.,自由表面和界面流动的直接数值模拟,《流体力学年鉴》,31,1,567-603(1999)
[30] Gueyffer,D。;李,J。;纳迪姆,A。;斯卡多维利,R。;Zaleski,S.,用光滑表面应力方法追踪三维流动的流体体积界面,《计算物理杂志》,152,2423-456(1999)·Zbl 0954.76063号
[31] 奥布莱恩,A。;Bussmann,M.,接触线动力学多相流的流体体积重影单元浸没边界法,Comput Fluids,165,43-53(2018)·Zbl 1390.76500号
[32] Aulisa,E。;Manservisi,S。;斯卡多维利,R。;Zaleski,S.,《一种几何面积保护流体平流体积的方法》,《计算物理杂志》,192,1,355-364(2003)·Zbl 1032.76632号
[33] 肖,F。;Y.Honma。;Kono,T.,使用双曲正切函数的简单代数界面捕获方案,国际J数值方法流体,48,9,1023-1040(2005)·Zbl 1072.76046号
[34] Ii、S。;杉山,K。;Takeuchi,S。;Takagi,S。;松本,Y。;Xiao,F.,一种具有连续函数的界面捕获方法:具有多维重建的THINC方法,计算物理杂志,231,52328-2358(2012)·Zbl 1427.76205号
[35] Pirozzoli,S。;迪乔治,S。;Iafrati,A.,《关于跟踪材料界面的代数TVD-VOF方法》,计算流体,189,73-81(2019)·Zbl 1519.76186号
[36] Pelanti,M.,两相可压缩流模型Roe型和HLLC型方法的低马赫数预处理技术,应用数学计算,310,112-133(2017)·Zbl 1427.65210号
[37] Haimovich,O。;Frankel,S.H.,使用高阶目标ENO(TENO)有限体积法对可压缩多组分和多相流进行数值模拟,计算流体,146,105-116(2017)·Zbl 1390.76439号
[38] 卢纳蒂,I。;Jenny,P.,多孔介质中可压缩多相流的多尺度有限体积法,《计算物理杂志》,216,2,616-636(2006)·Zbl 1220.76049号
[39] 索雷尔,R。;Lemetayer,O.,《具有界面、冲击、爆轰波和空化的可压缩流动的多相模型》,《流体力学杂志》,431239-271(2001)·Zbl 1039.76069号
[40] 索雷尔,R。;Abgrall,R.,《可压缩多流体和多相流的多相Godunov方法》,《计算物理杂志》,150,2,425-467(1999)·Zbl 0937.76053号
[41] 科尔拉,P。;Pao,K.,低速流的投影方法,《计算物理杂志》,149,2,245-269(1999)·Zbl 0935.76056号
[42] 墙壁,C。;皮尔斯,C.D。;Moin,P.,《低马赫数流中声波分辨率的半隐式方法》,《计算物理杂志》,181,2545-563(2002)·Zbl 1178.76264号
[43] Müller,B.,Navier-Stokes方程的低马赫数渐近性,《工程数学杂志》,34,97-109(1998)·Zbl 0924.76095号
[44] Majda,A。;Sethian,J.,《零马赫数燃烧方程的推导和数值解》,Combust Sci-Technol,42,3-4,185-205(1985)
[45] Brackbill,J.U。;科特,D.B。;Zemach,C.,表面张力建模的连续体方法,计算机物理杂志,100,2335-354(1992)·Zbl 0775.76110号
[46] 罗斯蒂,M.E。;Brandt,L.,粘性超弹性壁上湍流通道流动的数值模拟,《流体力学杂志》,830708-735(2017)·Zbl 1421.76136号
[47] Rosti,M.E。;勃兰特,L。;Mitra,D.,《粘弹性球体悬浮液的流变学:作为有效体积分数的变形性》,《Phys Rev Fluids》,3,1,012301(2018)
[48] Rosti,M.E。;Ge,Z。;Jain,S.S。;多德,M.S。;Brandt,L.,均匀剪切湍流中的液滴,《流体力学杂志》,876,962-984(2019)·Zbl 1430.76207号
[49] 巴蒂斯塔,F。;皮卡诺,F。;Casciola,C.M.,低马赫数下轻微超临界范德瓦尔斯流体的湍流混合,《物理流体》,26,5,055101(2014)
[50] 达鲁,V。;Le Quéré,P。;杜卢克,M.-C。;Le Maitre,O.,《模拟低马赫数液气流动的数值方法》,《计算物理杂志》,229,23,8844-8867(2010)·Zbl 1282.76137号
[51] De Vita,F。;Rosti,M.E。;卡塞塔,S。;Brandt,L.,剪切流中乳化液涡度带的数值模拟,软物质(2020)
[52] De Vita,F。;Rosti,M.E。;卡塞塔,S。;Brandt,L.,《关于聚结对乳液流变性的影响》,《流体力学杂志》,880969-991(2019)·Zbl 1430.76478号
[53] Puckett,E.G。;Almgren,A.S。;贝尔,J.B。;马库斯,D.L。;Rider,W.J.,《用于跟踪可变密度不可压缩流中流体界面的高阶投影方法》,《计算物理杂志》,130,2,269-282(1997)·Zbl 0872.76065号
[54] Scapin,N。;科斯塔,P。;Brandt,L.,《用于相变双流体流动界面解析模拟的流体体积法》,《计算物理杂志》,109251(2020)·Zbl 07504719号
[55] 卡斯特罗,M。;科斯塔,B。;Don,W.S.,双曲守恒律的高阶加权本质上无振荡WENO-Z格式,J Comput Phys,230,5,1766-1792(2011)·兹比尔1211.65108
[56] Motheau,E。;Abraham,J.,具有详细化学和准光谱精度的低马赫数反应流DNS的高阶数值算法,J Comput Phys,313430-454(2016)·Zbl 1349.65324号
[57] Demou,A。;Frantzis,C。;Grigoriadis,D.,高效直接数值模拟可变性质热驱动流动的低马赫数方法,《国际热质传递杂志》,132,539-549(2019)
[58] Youngs,D.L.,具有大流体畸变的时间依赖性多材料流,数值方法流体动力学(1982)·Zbl 0537.76071号
[59] Youngs,D.L.,三维欧拉流体动力学代码的界面跟踪方法,技术报告44/92/35(1984),原子武器研究所(AWRE)
[60] Costa,P.,基于FFT的湍流大规模并行直接数值模拟有限差分求解器,计算数学应用,76,8,1853-1862(2018)·Zbl 1442.65156号
[61] 威廉姆森,R.B。;Ericksen,J.H.,三维泊松方程的直接解,计算物理杂志,25,4,319-331(1977)·Zbl 0373.65052号
[62] 舒曼,美国。;Sweet,R.A.,交错边界条件下泊松方程直接解的快速傅立叶变换,J Comput Phys,75,1123-137(1988)·Zbl 0642.65070号
[63] 李,N。;Laizet,S.,2DECOMP&FFT-高度可扩展的2D分解库和FFT接口,Cray用户组2010年会议,1-13(2010)
[64] 巴托洛缪,P。;Laizet,S.,《一种新的高度可扩展、高阶精度变密度流框架:应用于非Boussinesq重力流》,《计算物理通讯》,24283-94(2019)·Zbl 07674801号
[65] 多德,M.S。;Ferrante,A.,《不可压缩双流体流动的快速压力校正方法》,《计算物理杂志》,273,416-434(2014)·Zbl 1351.76161号
[66] Kang,M。;Fedkiw,R.P。;刘晓东,多相不可压缩流动的边界条件捕捉方法,科学计算杂志,15,3,323-360(2000)·Zbl 1049.76046号
[67] 海辛,S.-R。;图雷克,S。;库兹明,D。;北卡罗来纳州帕罗里尼。;伯曼,E。;Ganesan,S.,二维气泡动力学的定量基准计算,国际数值方法流体,60,11,1259-1288(2009)·Zbl 1273.76276号
[68] 扎耶努里,M。;Metzger,M.,平面混合层敏感场的相干特征,《物理流体》,23,2,025105(2011)
[69] Betchov,R。;Szewczyk,A.,平行流之间剪切层的稳定性,物理流体,6,10,1391-1396(1963)·Zbl 0124.19802号
[70] 卢,J。;Tryggvason,G.,垂直通道中湍流气泡下流的数值研究,《物理流体》,18,10,103302(2006)
[71] 卢,J。;Tryggvason,G.,垂直通道中湍流气泡上流中气泡变形能力的影响,《物理流体》,20,4,040701(2008)·Zbl 1182.76476号
[72] Henningson,D.S。;Kim,J.,《平面泊松流中的湍流点》,《流体力学杂志》,228183-205(1991)·Zbl 0723.76048号
[73] 科斯塔,P。;菲利普斯,E。;勃兰特。;Fatica,M.,CaNS的GPU加速,用于规范流体流的大规模并行直接数值模拟,Comput Math Appl(2020)
[74] Meister,A.,低马赫数极限下的渐近单尺度和多尺度展开,SIAM应用数学杂志,60,1,256-271(1999)·Zbl 0941.35052号
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,而不要求完整或完全匹配。