The Cahn-Hilliard-Navier-Stokes (CHNS) equations represent the fundamental building blocks of hydrodynamic phase-field models for multiphase fluid flow dynamics. Due to the coupling between the Navier-Stokes equation and the Cahn-Hilliard equation, the CHNS system is non-trivial to solve numerically. Traditionally, a numerical extrapolation for the coupling terms is used. However, such brute-force extrapolation usually destroys the intrinsic thermodynamic structures of this CHNS system. This paper proposes a new strategy to reformulate the CHNS system into a constraint gradient flow formation. Under the new formulation, the reversible and irreversible structures are clearly revealed. This guides us to propose operator splitting schemes. The operator splitting schemes have several advantageous properties. First of all, the proposed schemes lead to several decoupled systems in smaller sizes to be solved at each time marching step. This significantly reduces computational costs. Secondly, the proposed schemes still guarantee the thermodynamic laws of the CHNS system at the discrete level. It ensures the thermodynamic laws, accuracy, and stability for the numerical solutions. In addition, unlike the recently populated IEQ or SAV approach using auxiliary variables, our resulting energy laws are formulated in the original variables. Our proposed framework lays out a foundation to design decoupled and energy stable numerical algorithms for hydrodynamic phase-field models. Furthermore, given different splitting steps, various numerical algorithms can be obtained, making this framework rather general. The proposed numerical algorithms are implemented. Their second-order accuracy in time is verified numerically. Some numerical examples and benchmark problems are calculated to verify the effectiveness of the proposed schemes.


翻译:Cahn-Hilliard-Navier-Stokes(CHNS)方程式代表了流体动力学阶段-场模型的基本构件。由于Navier-Stokes方程式和Cahn-Hilliard方程式之间的混合,CHNS系统在数字上是非三边解决的。传统上,对混合条件使用数字外推法。然而,这种粗力外推法通常摧毁这个CHNS系统的内在热流动力学结构。本文件提出了将CHNS系统重新配置为限制梯度流形成的新战略。在新配方中,可逆和不可逆的结构被明确披露。这指导我们提出操作者分裂办法具有若干优点。首先,提议的办法导致若干较小尺寸的分解系统,每进一步就可解决。这大大降低了计算成本。第二,拟议的办法仍然保证了CHNS系统在离层的热流体动力学阶段的温度动力学法。在离层结构中,使用原始的梯度梯度的梯度、可逆和不可逆性结构变量来计算。它能法的精度、稳定性和变数级法系。最近用SAVLIF的基法是计算到我们的数值法的基的基底值。 。在计算出。在计算中可以计算出一些数值基底基数值的数值法系中,在计算出一些数字基底基底基数。在计算出。

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