×

轻度可压缩欧拉方程的滤波器稳定性及其在大气动力学模拟中的应用。 (英语) Zbl 07761066号

小结:我们提出了一种用于轻度可压缩Euler方程的滤波器稳定技术,该技术依赖于线性或非线性指示函数来识别需要人工粘度的区域并确定其数量。为了实现这一技术,我们采用了一种称为Evolve-Filter-Relax(EFR)的三步算法,该算法在每一个时间步对解进行演化(即在粗网格上求解Euler方程),然后对计算出的解进行过滤,最后执行一个松弛步骤,将过滤的解和非过滤的解结合起来。我们证明了EFR算法与大涡模拟中的涡粘性模型等效。考虑了三个指示函数:常数函数(导致线性滤波器)、与速度梯度范数成比例的函数(恢复Smagorinsky类模型)和基于近似反褶积算子的函数。通过大气流量的著名基准测试,我们表明基于反褶积的滤波器产生的稳定解比线性滤波器和Smagorinsky-like模型的耗散小得多,并且我们强调了EFR算法的效率。

MSC公司:

76倍 流体力学

软件:

GEA公司;github
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] Smagorinsky,J.,《原始方程的一般循环实验:I.基本实验》,《Mon-Wea Rev》,91,99-164(1963)
[2] Abgrall,R.,《走向最终保守方案:追求未来》,《计算物理杂志》,167,2,277-315(2001)·Zbl 0988.76055号
[3] Hughes,T.,《多尺度现象:格林函数,Dirichlet-to-Neumann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,127387-401(1995)·Zbl 0866.76044号
[4] Kloeckner,A。;沃伯顿,T。;Hesthaven,J.S.,用时间显式间断Galerkin方法捕捉粘性激波,数学模型Nat Phenom,6,3,57-83(2011)·Zbl 1220.65165号
[5] 里斯波利,F。;Saavedra,R.,基于可压缩流SGS模型的稳定有限元方法,Comp Meth Appl Mech Engrg,196,652-664(2006)·Zbl 1120.76331号
[6] Persson P-O,Peraire J.不连续伽辽金方法的亚细胞冲击捕捉。In:程序。第44届美国航空航天学会航空航天科学会议和展览,美国航空航天学会-2006-112。2006
[7] Guermond,J.L。;帕斯克蒂,R。;Popov,B.,非线性守恒定律的熵粘度法,《计算物理杂志》,230,11,4248-4267(2011)·Zbl 1220.65134号
[8] Guermond,J.L。;Pasquetti,R.,傅里叶守恒定律近似的基于熵的非线性粘度,C R Acad Sci,Ser I,346,801-806(2008)·Zbl 1145.65079号
[9] Guermond,J.L。;波波夫,B.,欧拉方程和熵原理的粘性正则化,SIAM J Appl Math,74,2,284-305(2014)·Zbl 1446.76147号
[10] 库加诺夫,A。;Liu,Y.,双曲守恒律方程组的新自适应人工粘性方法,计算物理杂志,231,24,8114-8132(2012)·Zbl 1284.65112号
[11] Marras,S。;纳扎罗夫,M。;Giraldo,F.X.,基于LES无参数动态SGS模型的稳定高阶Galerkin方法,计算物理杂志,301,77-101(2015)·Zbl 1349.76127号
[12] Bazilevs,Y。;卡罗,V。;Cottrell,J.A。;休斯·T·J·R。;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模型》,计算方法应用机械工程,197173-201(2007)·Zbl 1169.76352号
[13] Codina,R.,使用正交子尺度的瞬态不可压缩流的稳定有限元近似,计算方法应用机械工程,191,4295-4321(2002)·Zbl 1015.76045号
[14] 科迪纳,R。;巴迪亚,S。;Baiges,J。;Principe,J.,计算流体动力学中的变分多尺度方法,(计算力学百科全书(2017),John Wiley&Sons,Ltd),1-28
[15] 休斯·T·J·R。;费约奥,G。;Mazzei,L。;Quincy,J.,《变分多尺度方法——计算力学的范例》,《计算方法应用机械工程》,166,3-24(1998)·Zbl 1017.65525号
[16] 莱顿,W。;雷霍尔茨,L。;Trenchea,C.,《高雷诺数流动方法的模块化非线性滤波器稳定性》,《数学流体力学杂志》,第14期,第325-354页(2012年)·Zbl 1294.76197号
[17] Bertagna,L。;奎尼,A。;Veneziani,A.,中大雷诺数下不可压缩流的基于反褶积的非线性滤波,国际数值方法流体杂志,81,8,463-488(2016)
[18] 鲍尔斯,A.L。;雷霍尔茨,L.G。;Takhirov,A。;Trenchea,C.,通过自适应非线性滤波提高不可压缩流正则化模型的精度,国际数值方法流体,70,7,805-828(2012)·Zbl 1412.76044号
[19] 鲍尔斯,A。;Rebholz,L.,利用基于反褶积的自适应非线性滤波对不可压缩流正则化模型进行的数值研究,计算方法应用机械工程,258,1-12(2013)·Zbl 1286.76079号
[20] 埃尔文,V。;莱顿,W。;Neda,M.,演化方程基于滤波器稳定化的数值分析,SIAM J Numer Ana,50,5,2307-2335(2012)·Zbl 1255.76021号
[21] 吉尔福格里奥,M。;奎尼,A。;Rozza,G.,具有非线性滤波稳定性的Navier-Stokes方程的有限体积近似,计算流体,187,27-45(2019)·Zbl 1474.76045号
[22] 莱顿,W。;勒赫,L。;Tran,H.,流体流动的显式解耦VMS稳定,计算方法应用机械工程,200,45,3183-3199(2011)·Zbl 1230.76048号
[23] Olshanskii,M。;Xiong,X.,过滤器稳定性和涡流粘度模型之间的关系,数值方法部分差异Equ,29,6,2061-2080(2013)·Zbl 1277.76040号
[24] Chehab,J.-P.,时间相关PDE建模和仿真的阻尼、稳定和数值滤波,离散控制动态系统-S,14,8,2693-2728(2021)·Zbl 07451792号
[25] 赫塞文,J.S。;沃伯顿,T.,《节点非连续伽辽金方法:算法、分析和应用》(2007),斯普林格出版公司
[26] Holm,D.D.,《拉格朗日平均值和理想流体动力学中涨落的平均效应》,《物理D:非线性现象》,170,253-286(2002)·Zbl 1098.76547号
[27] Secchi,P.,可压缩流体的阿尔法模型,离散Contin Dyn Syst-S,3,351-359(2008)·Zbl 1191.76086号
[28] 格雷夫迈耶,V。;Gee,M.W。;Kronbichler,M。;Wall,W.A.,用于湍流大涡模拟的代数变分多尺度多重网格方法,计算方法应用机械工程,199,853-864(2010)·Zbl 1406.76027号
[29] 格雷夫迈耶,V。;Wall,W.A。;Ramm,E.,用三层有限元法对湍流不可压缩流动进行大涡模拟,国际数值方法流体,481067-1099(2005)·Zbl 1070.76034号
[30] 格雷夫迈耶,V。;沃尔,M.W。;Ramm,E.,稳态不可压缩Navier-Stokes方程的三层有限元方法,计算方法应用机械工程,193,1323-1366(2004)·Zbl 1085.76038号
[31] 马伦,J。;Fischer,P.,《复杂几何流体流动的过滤技术》,《通用数值方法工程》,第15、1、9-18页(1999年)·Zbl 0931.76067号
[32] Boyd,J.P.,关于Chebyshev和Legendre光谱和光谱元素方法的滤波(人工粘度)的两个评论:保留边界条件和将滤波器解释为扩散,计算物理杂志,143,1,283-288(1998)·Zbl 0920.65046号
[33] 菲舍尔,P。;Mullen,J.,基于滤波器的光谱元素方法稳定化,C R Acad Sci,Ser I,332,3,265-270(2001)·Zbl 0990.76064号
[34] Garnier,E。;N.亚当斯。;Sagaut,P.,可压缩流动的大涡模拟(2009),柏林斯普林格·Zbl 1179.76005号
[35] 马修,J。;Lechner,R。;Foysi,H。;塞斯特亨,J。;Friedrich,R.,可压缩流大涡模拟的显式滤波方法,Phys Fluids,15,82227-2289(2003)·Zbl 1186.76355号
[36] 维斯巴尔,M。;Rizzetta,D.,使用紧凑差分和滤波方案的曲线网格上的大涡模拟,流体工程杂志,124836-847(2002)
[37] Ern,A。;Guermond,J.,加权边缘稳定,SIAM J Numer Anal,51,3165-1677(2013)·Zbl 1280.65095号
[38] 邓卡(A.Dunca)。;Epshteyn,Y.,《关于湍流大涡模拟的Stolz-Adams反褶积模型》,SIAM J Numer Ana,37,6,1890-1902(2005)·Zbl 1128.76029号
[39] 斯托尔茨,S。;Adams,N.,《大涡模拟的近似反褶积程序》,《物理流体》,11,7,1699-1701(1999)·Zbl 1147.76506号
[40] 斯托尔茨,S。;N.亚当斯。;Kleiser,L.,《应用于不可压缩壁面流动的大涡模拟的近似反褶积模型》,《物理流体》,13,4,997-1015(2001)·Zbl 1184.76530号
[41] GEA-地球物理和环境应用。https://github.com/GEA-Geophysical-and-Environmental-Apps/GEA。
[42] 韦勒,H.G。;Tabor,G。;贾萨克,H。;Fureby,C.,使用面向对象技术的计算连续体力学张量方法,计算物理,12,6,620-631(1998)
[43] Girfoglio,M。;奎尼,A。;Rozza,G.,GEA:一种新的基于有限体积的开放源代码,用于大气和海洋流动的数值模拟,《复杂应用有限体积会议论文集》,第10届会议(2023年),已接受。https://arxiv.org/abs/2303.10499
[44] Girfoglio,M。;奎尼,A。;Rozza,G.,《基于OpenFOAM®的欧拉方程解算器与中尺度大气模拟基准的验证》,AIP Adv,13,5,文章055024 pp.(2023)
[45] Kelly,J.F。;Giraldo,F.X.,可扩展三维非静力大气模型的连续和不连续Galerkin方法:有限区域模式,计算物理杂志,2317988-8008(2012)·Zbl 1284.65134号
[46] Borggaard,J。;伊利埃斯库,T。;Roop,J.,有界人工粘性大涡模拟模型,SIAM J Numer Ana,47,622-645(2009)·Zbl 1391.76202号
[47] 亨特,J。;沃伊,A。;Moin,P.,湍流中的涡流和会聚区技术报告CTR-S88(1988),CTR报告
[48] Jasak,H.,有限体积法的误差分析和估计及其在流体流动中的应用(1996),伦敦大学帝国学院,[博士论文]
[49] Oberai,A.A。;Hughes,T.J.R.,湍流变分多尺度公式的精细尺度涡流粘度和基于残差的模型调色板,Comput Mech,57629-635(2016)·Zbl 1382.76143号
[50] 艾哈迈德,N。;Lindeman,J.,使用基于通量的波分解的欧拉解,国际数值方法流体,54,47-72(2007)·兹比尔1113.76054
[51] 冯,Y。;Miranda-Fuentes,J。;雅各布·J。;Sagaut,P.,滞弹性近似下大气流动的混合格子Boltzmann模型,《物理流体》,33,3,第036607页,(2021)
[52] 卡彭特,R。;Droegemeier,K。;伍德沃德,P。;Hane,C.,分段抛物线法(PPM)在气象建模中的应用,Mon Wea Rev,118586-612(1990)
[53] 斯特拉卡,J。;威廉姆森(Wilhelmson,R.)。;威克,L。;安德森,J。;Droegemeier,K.,非线性密度流的数值解:基准解和比较,国际计量流体杂志,17,1-22(1993)
[54] 艾哈迈德·NN。分层流的高分辨率波传播方法。地址:美国航空协会航空论坛,佐治亚州亚特兰大。2018
[55] 吉拉尔多·F·X。;Restelli,M.,非静力中尺度模拟中Navier-Stokes方程的保守间断Galerkin半隐式公式,SIAM科学计算杂志,312231-2257(2009)·Zbl 1405.65127号
[56] 纳扎罗夫,M。;Hoffman,J.,使用自适应有限元方法模拟湍流可压缩流动的基于残差的人工粘度,国际数值方法流体,71,339-357(2013)·兹比尔1430.76314
[57] 吉拉尔多·F·X。;Restelli,M.,《非静力中尺度大气模拟中Navier-Stokes方程的谱元和间断Galerkin方法研究:方程组和测试案例》,《计算物理杂志》,2273849-3877(2008)·Zbl 1194.76189号
[58] Marras,S。;莫拉格,M。;瓦兹奎兹,M。;O.Jorba。;Houzeaux,G.,解非静力分层流Euler方程的变分多尺度稳定有限元方法,《计算物理杂志》,236380-407(2013)·Zbl 1286.65126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。