多孔介质中可压缩非等温流动的有限差分格式

计算科学 有限差分 流体动力学
2021-11-30 12:17:05

我的挑战是求解以下方程组,这些方程组描述了多孔介质中的气体燃烧:

1) 连续性

ερgt+x(ρgux)=0

2)达西定律(动量)

ux=kμpx

3)状态方程,注意变量温度

ρg=MRpRTg(x)

4) 气体的能量方程。

5) 固相能量方程

我已经成功地描述并解决了假设速度、压力和密度恒定的情况,即前三个方程退出。但是解决气体动力学部分被证明是一个问题。

对 1) 应用逆风方案(如此处所建议:连续性方程的良好有限差分)会在时间步长上产生一个非常苛刻的稳定性标准,我被迫将其设为 1e-6 和 1e-2 空间时间步长,即使我采用等温情况,暂时不考虑燃烧。我至少需要 1e-3 来解决能量方程。

前三个方程也可以耦合在一起形成

6)pt+C2x2(p2)=0

仅在等温情况下,所以帮助不大。

我知道人们之前已经解决了 1)-5) 和 6),但我找不到他们使用的方案的描述。我尝试专门搜索有关多孔介质中可压缩流动的文章,但这些文章都处理更复杂的模型(多相、可变形固体等)并使用非常复杂的求解方法。

有人可以为(1)-(3)提出一个好的 FD 方案,或者说如果像我一样使用逆风,稳定性标准是如何形成的?

1个回答

对于显式求解的双曲问题,您必须满足 CFL(Courant、Friedrichs、Lewy)条件。这确保了该方案将仅使用来自微分方程相关域的数据。有关 CFL 条件及其必要性的更多信息,您可以阅读 LeVeque 的“常微分方程的有限差分方法”中的第 215-218 页。同样在该章中,还介绍了一些替代方法,但稳定性标准仍然存在。一维逆风法的 CFL 条件为uΔtΔx<1.

在不连续 Galerkin (DG) 方法中,使用强稳定性保持 (SSP) Runge-Kutta 方法变得越来越流行。尽管这些是显式方法,但它们通常允许使用一些常用 Courant 数的倍数,这与简单的前向 Euler 方法不同。这意味着您可以采取更长的时间步长,但每个时间步长的成本更高。有可能使 SSPRK 方法适应您的问题,但我只看到它用于 DG 方法,我对其适用性的理解是有限的。

可以使用隐式时间方法,因为它们是无条件稳定的。为了将准确性保持在可接受的水平,您最终可能会回到原来的时间步限制。LeVeque 的书似乎表明,使用反向欧拉或亚当斯方法进行时间离散化和空间导数的中心差分可能有效。

我支持有限体积方法的投票,或者,如果你想要挑战,DG 方法。