首页 . 理学 . 力学 . 计算力学 . 计算流体力学

扩散界面方法

/diffuse interface method/
条目作者何志伟

何志伟

最后更新 2024-12-04
浏览 173
最后更新 2024-12-04
浏览 173
0 意见反馈 条目引用

研究多相或多介质流动问题的一类建模方法。这类方法假定相或介质之间的界面处存在相或介质之间的掺混,并对混合物的性质进行建模,以求解多相或多介质流动问题。

英文名称
diffuse interface method
所属学科
力学

扩散界面方法采用连续介质假设建立相应的单相(或介质)控制方程。进一步假定每一相是相互共存和相互渗透的,从而采用各种平均方法(时间平均、空间平均、系综平均)对各相控制方程进行平均化处理,最终得到一类忽略流动的一些微观细节的宏观均质或平均混合模型。扩散界面方法导出的模型会出现非守恒项(即最终的模型无法写成散度形式)和较多的附加项(物质之间的质量、动量和能量传递等过程的宏观模化)。对于这些附加项建立不同的唯象模式,就形成了不同的具体模型。

平均化方法在多相流动领域使用由来已久,D.A.德鲁等人对两相流动中采用的平均化方法进行了分析,建立了扩散界面方法相应的数学理论。1989年,针对火焰传播和反应的气体可穿透的颗粒物质中的爆轰转爆燃问题,M.贝尔和J.农齐亚托提出了著名的贝尔-农齐亚托(Baer-Nunziato)模型,又称双流体模型、七方程模型。1999年,R.索雷尔和R.阿布格拉尔对此模型进行了修改,并针对含有可区分大尺度物质界面的多相流动问题,提出了速度和压力松弛算法。这些工作建立了扩散界面方法的基本框架。

扩散界面方法的发展主要包括三个方面:

①模型简化。上述模型包含的方程个数往往较多,并存在非守恒项、源项等各种附加项,此外一些情况下模型不满足双曲特性。因此,针对工程应用中的具体问题,建立一些简化的模型是一种较为经济的选择。

②物理效应模化与应用。扩散界面方程是一种粗化的建模方法,适用于工程领域关注的多相流动问题的宏观效应,而工程问题往往包含各种物理效应。因此,扩散界面模型需要考虑弹塑性、黏性、热传导、相变以及表面张力等物理效应。索雷尔等人在速度和压力平衡的五方程框架下建立了考虑表面张力、相变的物理模型。2018年,索雷尔系统总结了上述物理效应建模工作。

③数值离散方法研究。21世纪以来,扩散界面方法的数值离散方法是一个研究热点。首先,由于非守恒项的存在,上述模型一般属于非守恒双曲系统。如何将守恒双曲系统的经典数值方法(以戈杜诺夫格式为代表)推广应用到非守恒双曲系统,一直是一个悬而未决的问题。这里面主要涉及两方面问题:黎曼问题的求解;非守恒项相容离散。典型的工作有:1996年,阿布格拉尔首次对非守恒项的离散进行了尝试,提出了离散非守恒项的阿布格拉尔准则。但是截至目前,上述两方面问题仍然没有形成完备的理论体系,已有的方法仍存在各种问题和局限。此外,扩散界面方法的松弛算法是另外一个研究热点。索雷尔等人对于含有可区分大尺度物质界面的多相流动问题,首次提出了速度和压力松弛算法,引发了后续相关跟进工作。

  • SAUREL R, PANTANO C.Diffuse-interface capturing methods for compressible two-phase flows.Annual Review of Fluid Mechanics,2018,(50):105–30.
  • BAER M, NUNZIATO J.A two-phase mixture theory for the deflagration-to-detonation transition (DDT) in reactive granular materials.International Journal of multiphase flow,1986,(12):861–8.
  • SAUREL R, ABGRALL R.A multiphase Godunov method for compressible multifluid and multiphase flows.Journal of computational physics,1999,(150):425–467.

相关条目

阅读历史

    意见反馈

    提 交

    感谢您的反馈

    我们会尽快处理您的反馈!
    您可以进入个人中心的反馈栏目查看反馈详情。
    谢谢!