Three asymptotic limits exist for the Euler equations at low Mach number - purely convective, purely acoustic, and mixed convective-acoustic. Standard collocated density-based numerical schemes for compressible flow are known to fail at low Mach number due to the incorrect asymptotic scaling of the artificial diffusion. Previous studies of this class of schemes have shown a variety of behaviours across the different limits and proposed guidelines for the design of low-Mach schemes. However, these studies have primarily focused on specific discretisations and/or only the convective limit. In this paper, we review the low-Mach behaviour using the modified equations - the continuous Euler equations augmented with artificial diffusion terms - which are representative of a wide range of schemes in this class. By considering both convective and acoustic effects, we show that three diffusion scalings naturally arise. Single- and multiple-scale asymptotic analysis of these scalings shows that many of the important low-Mach features of this class of schemes can be reproduced in a straightforward manner in the continuous setting. As an example, we show that many existing low-Mach Roe-type finite-volume schemes match one of these three scalings. Our analysis corroborates previous analysis of these schemes, and we are able to refine previous guidelines on the design of low-Mach schemes by including both convective and acoustic effects. Discrete analysis and numerical examples demonstrate the behaviour of minimal Roe-type schemes with each of the three scalings for convective, acoustic, and mixed flows.


翻译:欧拉方程在低马赫数下存在三个渐近极限 - 纯对流、纯声波和混合对流声波。已知基于密度的标准共轭数值计算方案在低马赫数下会由于人工扩散的渐近比例错误而失败。先前对此类方案的研究已经表明了在不同极限下的各种行为,并提出了设计低马赫数方案的指导方针。然而,这些研究主要集中在特定的离散化和/或仅对对流极限进行研究。在本文中,我们使用修改方程 - 连续欧拉方程增加人工扩散项表示 - 来检查低马赫性质,后者代表了这一类方案中的一种广泛的离散化。通过考虑对流和声波效应,我们表明三种扩散比例自然产生。这些比例的单尺度和多尺度渐近分析表明,这一类方案的许多重要低马赫特征可以在连续设置中简单地再现。例如,我们展示了许多现有的低马赫Roe型有限体积格式符合这三种比例中的一种。我们的分析证实了以前这些方案的分析,并能够通过包括对流和声波效应进一步完善以前的低马赫数设计方针。离散分析和数值实例演示了对于对流、声波和混合流中每种比例,极简Roe型方案的行为。

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