Respecting the laws of thermodynamics is crucial for ensuring that numerical simulations of dynamical systems deliver physically relevant results. In this paper, we construct a structure-preserving and thermodynamically consistent finite element method and time-stepping scheme for heat conducting viscous fluids. The method is deduced by discretizing a variational formulation for nonequilibrium thermodynamics that extends Hamilton's principle for fluids to systems with irreversible processes. The resulting scheme preserves the balance of energy and mass to machine precision, as well as the second law of thermodynamics, both at the spatially and temporally discrete levels. The method is shown to apply both with insulated and prescribed heat flux boundary conditions, as well as with prescribed temperature boundary conditions. We illustrate the properties of the scheme with the Rayleigh-B\'enard thermal convection. While the focus is on heat conducting viscous fluids, the proposed discrete variational framework paves the way to a systematic construction of thermodynamically consistent discretizations of continuum systems.


翻译:尊重热力学的定律对于确保动态系统的数字模拟产生与物理相关的结果至关重要。在本文中,我们为进行热导粘度流体构建了结构保全和热动力一致的有限元素法和时间跨度计划。该方法的推导方法是通过无平衡热动力学的变异配方将汉密尔顿的液体原则延伸至具有不可逆转过程的系统。由此形成的计划在空间和时间离散水平上保持能量和质量的平衡,以及热力动力学的第二个定律。该方法在隔热和规定的热通量边界条件下,以及在规定的温度边界条件下,均被显示适用。我们用Rayleg-B\'enard热凝聚器来说明该计划的特性。虽然重点是进行热导的粘液,但拟议的离散变制框架为系统地构建连续系统在热动力上一致的离散状态铺平铺平了道路。

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