凝聚态物理 > 软凝聚态物理
[提交于 2025年8月27日
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标题: 基于投影的Cahn-Hilliard-Navier-Stokes框架的两相流相场建模
标题: Phase-Field Modeling of Two-Phase Flows: A Projection-Based Cahn-Hilliard-Navier-Stokes Framework
摘要: 耦合的Cahn-Hilliard和Navier-Stokes(CH-NS)方程为建模具有扩散界面的多相流提供了一个强大的框架,能够模拟液滴破裂、气泡动力学和水动力不稳定性。 这些能力在沸腾传热、微流体、涂层、增材制造和油水分离中至关重要,其中解析流体-流体相互作用是必不可少的。 数值上,CH-NS系统具有挑战性:Cahn-Hilliard方程涉及高阶导数和非线性,而与Navier-Stokes的耦合引入了强烈的双向相互作用。 速度场会输运相场,而演变的界面会改变密度和粘度,并反馈到流动中。 变密度和变粘度系统进一步增加了复杂性,需要准确处理属性对比而不损失稳定性或质量守恒。 为了解决这个问题,我们采用了一种解耦的压力投影方法,在交错网格上使用有限差分和显式欧拉时间步进。 我们的公式扩展了CH-NS系统,以适用于均质和变属性流体,并实现了一致的流体力学-相场耦合。 与经典基准测试(包括气泡上升和Plateau-Taylor不稳定性)进行验证,显示了上升速度、界面形状和不稳定性波长方面的良好一致性。 该框架为多物理场扩展(如传热、相变和电水动力学)建立了可重复的基础,应用于沸腾、液滴操控和电子冷却。
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