Numerische Simulation des Phasenübergangs mit dem hyperbolischen Godunov-Peshkov-Romenski-Modell

In diesem Papier wird eine thermodynamisch konsistente Lösung des interfacial Riemann-Problems für das first-order hyperbolische Kontinuumsmodell von Godunov, Peshkov und Romenski (GPR-Modell) vorgestellt. In Gegenwart eines Phasenübergangs werden die interfacialen physikalischen Phänomene durch molekulare Wechselwirkungen auf mikroskopischer Ebene bestimmt, die über den Bereich des makroskopischen Kontinuumsmodells in den Bulk-Phasen hinausgehen. Die entwickelten Zwei-Phasen-Riemann-Löser gehen dieses Multiskalenproblem an, indem sie ein lokales thermodynamisches Modell integrieren, um die interfaciale Entropieproduktion vorherzusagen. Unter Verwendung phänomenologischer Beziehungen der Nichtgleichgewichtsthermodynamik werden die interfacialen Massen- und Wärmeflüsse aus der Entropieproduktion abgeleitet und bieten eine Abschätzung an der Phasengrenze. Wir verwenden die vorgeschlagenen Riemann-Löser in einem effizienten scharfen Schnittstellen-Level-Set-Ghost-Fluid-Rahmenwerk, um Kopplungsbedingungen an Phasenschnittstellen unter Phasenübergang bereitzustellen. Als Einzelphasen-Benchmark wird eine Rayleigh-Bénard-Konvektion untersucht, um die hyperbolische thermische Relaxationsformulierung des GPR-Modells mit dem hyperbolisch-parabolischen Euler-Fourier-System zu vergleichen. Die neuartigen interfacialen Riemann-Löser werden gegen molekulare Dynamik-Simulationen von verdampfenden Schockröhren mit dem Lennard-Jones-Verschobenen und -trunkierten Potenzial validiert. Auf makroskopischer Ebene werden verdampfende Schockröhren für das Material n-Dodekan berechnet und mit den Euler-Fourier-Ergebnissen verglichen. Schließlich wird die Effizienz und Robustheit des Verfahrens durch Simulationen von Schock-Tröpfchen-Interaktionen demonstriert, die sowohl Phasenübergang als auch Oberflächenspannung beinhalten und schwere Schnittstellendeformationen aufweisen.