The numerical modelling of convection dominated high density ratio two-phase flow poses several challenges, amongst which is resolving the relatively thin shear layer at the interface. To this end we propose a sharp discretisation of the two-velocity model of the two-phase Navier-Stokes (NS) equations. This results in the ability to model the shear layer, rather than resolving it, by allowing for a velocity discontinuity in the direction(s) tangential to the interface. In this paper we focus our attention on the transport of mass and momentum in the presence of such a velocity discontinuity. We propose a generalisation of the dimensionally unsplit geometric volume of fluid (VOF) method for the advection of the interface in the two-velocity formulation. Sufficient conditions on the construction of donating regions are derived that ensure boundedness of the volume fraction for dimensionally unsplit advection methods. We propose to interpolate the mass fluxes resulting from the dimensionally unsplit geometric VOF method for the advection of the staggered momentum field, resulting in semi-discrete energy conservation. Division of the momentum by the respective mass, to obtain the velocity, is not always well-defined for nearly empty control volumes and therefore care is taken in the construction of the momentum flux interpolant: our proposed flux interpolant guarantees that this division is always well-defined without being unnecessarily dissipative. Besides the newly proposed two-velocity model we also detail our exactly conservative (mass per phase and total linear momentum) implementation of the one-velocity formulation of the two-phase NS equations, which will be used for comparison. The discretisation methods are validated using classical time-reversible flow fields, where in this paper the advection is uncoupled from the NS solver, which will be developed in a later paper.


翻译:平流层以高密度比率为主的双相流数字模型提出了若干挑战,其中之一是解决界面中相对薄的剪剪层。 为此,我们建议对两相导航-斯托克斯(NS)方程式的双速度模型进行清晰的分解。 这导致能够模拟剪切层,而不是解决它,允许在方向向正向向向对接中出现速度不连续。 在本文件中,我们把注意力集中在质量的传输和在这种速度不连续状态中出现的势头上的势头上。我们建议对液流的尺寸进行全方位的不精确的离散性平流。我们建议对液流的尺寸进行精确的离散性平流。我们建议,在两相平流的平流中,在双平流的平流阶段中,对电流的电流的精确度进行精确的平流。 因此,在构建区域方面的充分条件可以确保数量分解,在尺寸上无偏差的对流中,我们提出的平流的平流法将是一个不固定的平流的平流法。 在结构中,我们提出的平流的平流的平流的平流中, 将始终以一个平流的平流的平流的平流的平流的平流的平流的平流的平流的平流的平流的平流的平流的平流的平流的平流的平流法将获得一个平流的平流法。

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