热力学一致非等温多相流体系统的计算建模、算法设计与数值分析
批准号:
12101387
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
孙寿文
依托单位:
学科分类:
复杂问题的可计算建模与数值模拟
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
孙寿文
中文摘要
非等温条件下的多组分流体对流与扩散在工程应用中发挥着重要的作用,是流体力学和传热过程研究的中心课题之一。本项目旨在探究与外界有能量交换的开放系统中温度场对多相流体产生的影响。首先,基于广义Onsager原理的相场输运Cahn-Hilliard方程、力平衡的Navier-Stokes方程和来源于非平衡态热力学框架导出的能量守恒方程组成热力学一致(熵增)非等温两相不可压缩粘性流体力学模型。在此基础上,根据能量二次化(EQ)以及补充变量法(SVM)对上述新模型提出两类关于时间与空间均为二阶并保持各相液体组分体积守恒和正的熵增率的保结构数值格式。最后,设计快速傅里叶算法对两相流体的Bernard-Convection现象进行精确、高效地数值模拟,揭示温度的变化对多相流体产生的影响。这一研究不仅提高人们对耦合非等温效应的多相流体的认识,而且为促进非平衡态现象的物理研究提供理论和实验依据。
英文摘要
Multi-component fluid convection and diffusion under non-isothermal conditions plays an important role in engineering applications and is one of the central topics in the study of fluid mechanics and heat transfer process. This project aims to explore the influence of temperature field on multiphase fluid in an open system with external energy exchange. Firstly, we proposes the thermodynamically consistent (entropy increase) non-isothermal two-phase incompressible viscous fluid dynamics model which composed of a phase field transport Cahn-Hilliard equation based on the generalized Onsager principle, the Navier-Stokes equation for force balance and the energy conservation equation derived from the non-equilibrium thermodynamics framework; On this basis, according to the entropy quadratization (EQ) and the supplementary variable method (SVM), two types of structure-preserving numerical schemes are proposed for the above-mentioned model, both of which are second-order in time and space, and this schemes maintained the volume conservation and entropy increase rate of the liquid components in each phase are positively maintained; Finally, a fast Fourier transform algorithm is designed to simulate the Bernard-Convection phenomenon of two-phase fluid accurately and efficiently, and the influence of temperature changes on the multi-phase fluid system is revealed through the simulation results.This research not only improves our understanding of non-isothermal multiphase fluid flow, but also provides theoretical and experimental basis for promoting the physical research of non-equilibrium phenomenon.
非等温条件下的多组分流体对流与扩散在工程应用中发挥着重要的作用,是流体力学和传热过程研究的中心课题之一。在本项目中,我们主要探究了与外界有能量交换的开放系统中温度场对多相流体产生的影响。首先,我们基于广义Onsager原理提出了一个热力学一致的非等温、不可压缩两相流体动力学新模型,该模型采用了Boussinesq近似的浮力效应。并且在热力学一致的边界条件下,模型既保证了每种流体相的体积守恒,又保证了正熵增率即保持了系统的热力学一致性;其次,采用熵二次化(EQ)方法,为模型开发了一套时间/空间均二阶收敛并满足在离散状态下相体积守恒和熵增率性质的弱线性保结构数值算法;最后,通过一种有效的时间自适应策略,我们分别进行了收敛阶测试以及数值模拟,验证了该算法的准确性和二阶收敛性。这些数值模拟成功地捕获了两相流体中的Rayleigh-Benard对流现象,以及在温度梯度、浮力和界面力的影响下非混相流体之间的界面动力学行为,证明了模型和数值算法的准确性和实用性。总之,我们的创新模型,辅助相关的保结构数值算法和模拟工具,构成了一个适用于涉及多相流体流动的无数现实世界场景的通用框架。项目的开展不仅提高了人们对耦合非等温效应的多相流体的认识,而且为促进非平衡态现象的物理研究提供理论和实验依据。
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