In this paper, we develop a fully conservative, positivity-preserving, and entropy-bounded discontinuous Galerkin scheme for simulating the chemically reacting, compressible Euler equations with complex thermodynamics. The proposed formulation is an extension of the conservative, high-order numerical method previously developed by Johnson and Kercher [J. Comput. Phys., 423 (2020), 109826] that maintains pressure equilibrium between adjacent elements. In this first part of our two-part paper, we focus on the one-dimensional case. Our methodology is rooted in the minimum entropy principle satisfied by entropy solutions to the multicomponent, compressible Euler equations, which was proved by Gouasmi et al. [ESAIM: Math. Model. Numer. Anal., 54 (2020), 373--389] for nonreacting flows. We first show that the minimum entropy principle holds in the reacting case as well. Next, we introduce the ingredients required for the solution to have nonnegative species concentrations, positive density, positive pressure, and bounded entropy. We also discuss how to retain the aforementioned ability to preserve pressure equilibrium between elements. Operator splitting is employed to handle stiff chemical reactions. To guarantee satisfaction of the minimum entropy principle in the reaction step, we develop an entropy-stable discontinuous Galerkin method based on diagonal-norm summation-by-parts operators for solving ordinary differential equations. The developed formulation is used to compute canonical one-dimensional test cases, namely thermal-bubble advection, multicomponent shock-tube flow, and a moving hydrogen-oxygen detonation wave with detailed chemistry. We find that the enforcement of an entropy bound can considerably reduce the large-scale nonlinear instabilities that emerge when only the positivity property is enforced, to an even greater extent than in the monocomponent, calorically perfect case.


翻译:在本文中, 我们开发了一个完全保守的, 真实的保存, 和恒定的不连续的 Galerkin 方案, 用于模拟化学反应, 压缩的 Euler 方程式, 以及复杂的热动力学。 提议的配方是强生和Kercher[J. Comput. pyls., 423 (2020年), 109826] 先前开发的保守的、 高排序的数字方法的延伸, 保持相邻元素之间的压力平衡。 在我们的两部分文件的第一部分, 我们侧重于一维立方体。 我们的方法根植根于一个最小的变异性原则, 由多成的变异方方程式, 压缩的 Euler 方方方方方程式。 我们用一个最小的变异性方程式来保持一个最低变异性压的变异性, 在一个变异性体的变异性模型中, 我们用一个更精确的变异的变异的变异性模型来保持一个变异的变压的变异的变压。

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