We consider the interaction between a free flowing fluid and a porous medium flow, where the free flowing fluid is described using the time dependent Stokes equations, and the porous medium flow is described using Darcy's law in the primal formulation. To solve this problem numerically, we use a diffuse interface approach, where the weak form of the coupled problem is written on an extended domain which contains both Stokes and Darcy regions. This is achieved using a phase-field function which equals one in the Stokes region and zero in the Darcy region, and smoothly transitions between these two values on a diffuse region of width $\mathcal{O}(\epsilon)$ around the Stokes-Darcy interface. We prove convergence of the diffuse interface formulation to the standard, sharp interface formulation, and derive rates of convergence. This is performed by deriving a priori error estimates for discretizations of the diffuse interface method, and by analyzing the modeling error of the diffuse interface approach at the continuous level. The convergence rates are also shown computationally in a numerical example.


翻译:我们考虑自由流体和多孔介质之间的相互作用,自由流体使用时间依附 Stokes 方程式来描述,而多孔介质流则使用达西法则在原始配方中用初级配方法来描述。为了从数字上解决这个问题,我们使用分散界面方法,在包含斯托克斯和达西地区的扩展域中写出混合问题的薄弱形式。这是用一个在斯托克斯地区等于一个和达西地区等于零的阶段字段功能实现的,以及这两个值之间在宽度为$\mathcal{O}(\epsilon)的分散区域上围绕斯托克斯-达西界面的平稳转换。我们证明扩散界面配方与标准、敏接口配方和引出趋同率的组合一致。这是通过对分散接口方法的离散化进行前置误差估计,并通过在连续一级分析扩散接口方法的模型错误来实现的。还用数字示例显示合并率。

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