El equipo desarrolla un nuevo esquema híbrido para cálculos de flujo compresible

Un equipo de científicos ha desarrollado un nuevo esquema híbrido para simular un flujo compresible monofásico estable e inestable. Su esquema tiene aplicaciones potenciales en escenarios del mundo real, lo que proporciona una vía prometedora para futuras investigaciones.

El equipo utilizó un método de volumen finito llamado esquemas de conservación de corriente ascendente monótona (MUSCL) para crear un nuevo esquema. Su nuevo esquema ofrece una alternativa más precisa y precisa que los esquemas MUSCL tradicionales para cálculos de flujo compresible.

Su trabajo ha sido publicado en la revista. Física de fluidos El 10 de abril de 2024.

Los métodos de volúmenes finitos son métodos numéricos utilizados por los científicos para resolver problemas de dinámica de fluidos. El método MUSCL es un método de volúmenes finitos que puede proporcionar soluciones numéricas exactas de ecuaciones diferenciales parciales.

Los científicos utilizan simulaciones de flujo compresible para estudiar el flujo compresible de gases que sufren grandes cambios en su densidad. Estas simulaciones numéricas se pueden utilizar para resolver muchos tipos de problemas de investigación, desde la ingeniería aeroespacial o mecánica. Sin embargo, a los científicos les ha resultado difícil simular con precisión los flujos debido a fenómenos complejos, como ondas de choque y discontinuidades de continuidad.

MUSCL es particularmente útil en ingeniería aeroespacial debido a su expresión matemática directa y precisión en flujos fundamentales caracterizados por ondas de choque. Sin embargo, a menudo producen soluciones disipativas para flujos complejos, lo que degrada la precisión de la simulación.

«Aunque recientemente se han propuesto muchos métodos, todavía existe una brecha entre los métodos complejos desarrollados recientemente para intereses académicos y los métodos ampliamente utilizados que ya se utilizan para abordar problemas de ingeniería. Para cerrar la brecha y contribuir a la ingeniería, propusimos un nuevo método con simulación precisa y estable de flujos dúctiles» para comprimir usando expresiones simples», dijo Keiichi Kitamura, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Yokohama.

El equipo de investigación utilizó el método MUSCL combinado con el método de captura de interfaz hiperbólica tangencial (THINC) para crear un nuevo esquema híbrido al que llamaron T-MUSCL. Su esquema híbrido optimiza el proceso en función del grado de no linealidad y discontinuidad alrededor de las células objetivo. Diseñaron el esquema para proporcionar un equilibrio apropiado entre la no linealidad entre los fenómenos físicos y el proceso de reconstrucción. Esto resuelve las ondas de choque muy débiles y las ondas de choque muy fuertes dentro del esquema híbrido.

El equipo utilizó dos coeficientes principales: un coeficiente ponderado según la no linealidad y un coeficiente ponderado según la relación de pendiente. El esquema T-MUSCL proporciona una precisión mejorada para la simulación de flujo continuo con errores más pequeños que el MUSCL convencional. Es capaz de capturar con precisión ondas de choque estacionarias y en movimiento muy débiles. Estos casos fueron difíciles de resolver con precisión para el MUSCL convencional debido a la excesiva disipación numérica.

El esquema T-MUSCL también proporciona un comportamiento de convergencia mejorado en problemas de cuerpos romos 2D estacionarios y comportamientos numéricos inestables reducidos en presencia de fuertes ondas de choque. Este esquema híbrido se puede adoptar fácilmente en lugar del MUSCL tradicional en una variedad de aplicaciones prácticas sin agregar complejidad innecesaria a los algoritmos existentes.

“La conclusión de este estudio es que obtuvimos resultados muy precisos y sólidos para flujos comprimibles complejos utilizando expresiones simples. Nuestro método se basa en el llamado esquema (espacialmente) de segundo orden, que es el tipo más común de método numérico. Creemos que nuestro método es accesible desde Muchos usuarios lo aceptaron debido a esta característica”, dijo Kitamura.

En el futuro, el siguiente paso de los investigadores será aplicar el método propuesto a un problema de ingeniería real. Esperan que su método sea ampliamente utilizado por los investigadores que estudian la dinámica de fluidos. «Nuestro objetivo final es profundizar nuestra comprensión de la dinámica del flujo compresible y las ondas de choque con nuestro método y contribuir a acelerar el desarrollo en una variedad de industrias, como la ingeniería aeroespacial y la ingeniería mecánica», dijo Gaku Fukushima, investigador de la Facultad. de Ingeniería de la Universidad Nacional de Yokohama.