Modelo de volúmenes locales conservados de Boltzmann para flujos multifásicos incompresibles

Área de la Ciencia:

• Dinámica de fluidos computacional
• Modelado de campo de fase
• Análisis numérico

Sus antecedentes:

• La ecuación clásica de Cahn-Hilliard se utiliza ampliamente para simulaciones de dinámica de fluidos bifásicos.
• Una limitación clave es su incapacidad para garantizar la conservación del volumen de cada fase.
• Esta deficiencia dificulta la simulación precisa de las interfaces de fluidos.

Objetivo del estudio:

• Abordar el problema de la no conservación de volumen en las simulaciones clásicas de Cahn-Hilliard.
• Desarrollar un modelo de Boltzmann de captura de interfaz preciso para el flujo bifásico.
• Mejorar la simulación de la dinámica de gotas y la morfología de la interfaz.

Principales métodos:

• Se introdujo una ecuación de Cahn-Hilliard modificada que combina la corrección de perfil y los enfoques de nivel de conjunto.
• Se desarrolló un modelo de Boltzmann de captura de interfaz basado en la ecuación modificada.
• Se realizaron simulaciones numéricas que incluyen gotas estacionarias, vórtices, inestabilidad de Rayleigh-Plateau y deformación por flujo cortante.

Principales resultados:

• El modelo de Boltzmann propuesto mantiene eficazmente la conservación de volumen local.
• Se demostró una captura de interfaz precisa en varios escenarios de simulación.
• El modelo mostró una conservación de volumen y una representación de la morfología de la interfaz superiores en comparación con los modelos clásicos basados en Cahn-Hilliard, especialmente para gotas pequeñas.

Conclusiones:

• La ecuación de Cahn-Hilliard modificada y el modelo de Boltzmann propuesto superan las limitaciones de no conservación de volumen de los métodos clásicos.
• Este enfoque proporciona una herramienta más precisa y fiable para simular la dinámica de fluidos bifásicos.
• El modelo mejorado es particularmente beneficioso para problemas que involucran gotas pequeñas y dinámica de interfaz compleja.