新的数学技术可以更好地模拟多相流体

研究人员开发了一种数学技术，可以从根本上降低试图模拟结合了液相和气相的流体的巨大计算成本，尤其是在火箭发动机中。长期以来，这种建模的计算负担一直挑战着研究人员准确描述此类多相流体中的冲击波如何导致机械磨损。

该技术在《计算物理学杂志》上发表的一篇论文中有所描述。

流体力学的计算——物理学的一个分支，涉及液体、气体和任何其他类似流体的运动——在考虑不止一个相或物质状态的材料流动时，可能会遇到计算挑战，例如就像水和气体同时流动一样。

这种称为“多相流”的流动极为普遍，它也涵盖两种不同液体(如油和水)的流动。它发生在任何可能存在液滴破裂的地方，它们的相变会发生蒸发、沸腾、冷凝和空化(在液体中形成充满蒸汽的小空腔，即气泡)。

例如，在石油和天然气工业中，井不仅是石油的来源，也是天然气和水的来源。使用液氧的火箭发动机内部的流动是多相流的另一个例子，同样是气相和液相，其中一些液氧蒸发，然后与剩余的液体一起在燃烧室中点燃。

多相流的研究在此类行业中至关重要，尤其是对于机器磨损的发生方式。当前面提到的空化现象的气泡蒸汽腔遇到更高的压力时，这些气泡会破裂。这种坍塌反过来会产生冲击波，可以风化并损坏机器或基础设施。

因此，对此进行建模对于现代世界大部分地区的工业活动极为重要。在单相中模拟流体非常简单，但现实世界中很少有流体只保持一相。这里的计算挑战来自量化不同相的速度分布，包括速度如何在两个(或更多)相之间的界面处变化。

多相流的建模方法主要有两种，欧拉-拉格朗日法和欧拉-欧拉法。两者在计算上都非常昂贵，并且都有某些缺点。例如，在欧拉-拉格朗日方法中，液相表示为粒子的集合，因此无法分析气液界面和初级雾化(从散装液体到液滴的变化过程)。

直到1990年代，计算能力的提高才允许对多相流进行更真实的建模。研究人员首次能够从多相流的简化一维表示升级到更逼真的三维模型。

但即使有了这样的计算能力进步，多相模型工作的计算成本仍然很高(这意味着，在一些非常棘手的情况下，在经济上也很昂贵)。这对于火箭发动机内的高度多相流复杂性来说尤其成问题。多相液态和气态氧燃料燃烧可能伴随着不稳定性，例如由于热释放速率的波动而在发动机中产生共振或突突声。

为了解决这些问题，需要多相流建模，其中涉及描述声波和可压缩流(换句话说涉及空化)的数学解决方案。在火箭发动机研究中，可压缩多相流计算以及如何降低其计算成本日益成为一个重要的研究课题。

传统的可压缩多相流建模方法需要使用计算量大的“精确黎曼求解器”来描述气泡和水冲击波(在液相和气相之间的界面)之间的相互作用。

横滨国立大学(YNU)机械工程与材料科学系的计算流体动力学家JunyaAono说：“精确黎曼求解器是计算流体动力学中的一种近似方法，用于描述这种不连续处的通量。”“但它会产生高昂的计算成本，并且还会遇到所谓的痈问题，在该问题中，捕获的冲击波会被扭曲，可能会影响到包含多相流的腔室的热传递。”

因此，研究人员开发了一种不再需要黎曼求解器来模拟可压缩多相流的方法。

“这涉及对简单的低耗散平流上游分裂法进行调整，”该论文的合著者、同时也是云南大学的KeiichiKitamura说。“这是一种在其他地方使用的数学技术，但可以扩展到复杂的物理相互作用，例如多相流。”

这种调整——包括仔细设计以考虑数值耗散，或者模拟流体可以表现出比现实世界中的介质更高的扩散速率的方式——允许准确描述捕获的冲击波和其他不连续性之间的相互作用。多相流。至关重要的是，所有这些都可以轻松编码。

该技术的任何潜在用户现在都可以轻松生成可压缩多相流模拟，而无需承担巨大的计算负担，也不必特别注意为模型选择参数。

研究人员现在希望将他们的数学技术应用到实际的3D可压缩多相流模拟中，特别是在火箭发动机方面。