Accurate conservative phase-field method for simulation of two-phase flows

机械 数学 质量守恒 物理 平流 经典力学 湍流 有限体积法 统计物理学 应用数学 热力学
作者
Suhas S. Jain
出处
期刊:Journal of Computational Physics [Elsevier BV]
卷期号:469: 111529-111529 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.jcp.2022.111529
摘要

In this work, we propose a novel phase-field model for the simulation of two-phase flows that is accurate, conservative, bounded, and robust. The proposed model conserves the mass of each of the phases, and results in bounded transport of the volume fraction. We present results from the canonical test cases of a drop advection and a drop in a shear flow, showing significant improvement in the accuracy over the commonly used conservative phase-field method. Moreover, the proposed model imposes a lesser restrictive Courant-Friedrichs-Lewy condition, and hence, is less expensive compared to other conservative phase-field models. We also propose improvements on computation of surface tension forces and show that the proposed improvement significantly reduces the magnitude of spurious velocities at the interface. We also derive a consistent and conservative momentum transport equation for the proposed phase-field model and show that the proposed model when coupled with the consistent momentum transport equation results in discrete conservation of kinetic energy, which is a sufficient condition for the numerical stability of incompressible flows, in the absence of dissipative mechanisms. To illustrate the robustness of the method in simulating high-density ratio turbulent two-phase flows, we present the numerical simulations of high-density ratio droplet-laden isotropic turbulence at finite and infinite Reynolds numbers.
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