On Accuracy of Lattice Boltzmann Method Coupled with Cahn-Hilliard and Allen-Cahn Equations for Simulation of Multiphase Flows at High-Density Ratios

سال انتشار: 1401
نوع سند: مقاله ژورنالی
زبان: انگلیسی
مشاهده: 96

فایل این مقاله در 17 صفحه با فرمت PDF قابل دریافت می باشد

استخراج به نرم افزارهای پژوهشی:

لینک ثابت به این مقاله:

شناسه ملی سند علمی:

JR_JAFM-15-6_011

تاریخ نمایه سازی: 2 مهر 1401

چکیده مقاله:

In this work, the accuracy of the multiphase lattice Boltzmann method (LBM) based on the phase-field models, namely the Cahn-Hilliard (C-H) and Allen-Cahn (A-C) equations, are evaluated for simulation of two-phase flow systems with high-density ratios. The mathematical formulation and the schemes used for discretization of the derivatives in the C-H LBM and A-C LBM are presented in a similar notation that makes it easy to implement and compare these two phase-field models. The capability and performance of the C-H LBM and A-C LBM are investigated, specifically at the interface region between the phases, for simulation of flow problems in the two-dimensional (۲D) and three-dimensional (۳D) frameworks. Herein, the equilibrium state of a droplet and the practical two-phase flow problem of the rising bubble are considered to evaluate the mass conservation capability of the phase-filed models employed at different flow conditions and the obtained results are compared with available numerical and experimental data. The effect of employing different equations proposed in the literature for calculating the relaxation time on the accuracy of the implemented phase-field LBMs in the interfacial region is also studied. The present study shows that the LBM based on the A-C equation (A-C LBM) is advantageous over that based on the C-H equation in dealing with the conservation of the total mass of a two-phase flow system. Also, the results obtained by the A-C LBM is more accurate than those obtained using the C-H LBM in comparison with other numerical results and experimental observations. The present study suggests the A-C LBM as a sufficiently accurate and computationally efficient phase-field model for the simulation of practical two-phase flows to resolve their structures and properties even at high-density ratios.

نویسندگان

E. Ezzatneshan

Faculty of New Technologies and Aerospace Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

A. A. Khosroabadi

Faculty of New Technologies and Aerospace Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

مراجع و منابع این مقاله:

لیست زیر مراجع و منابع استفاده شده در این مقاله را نمایش می دهد. این مراجع به صورت کاملا ماشینی و بر اساس هوش مصنوعی استخراج شده اند و لذا ممکن است دارای اشکالاتی باشند که به مرور زمان دقت استخراج این محتوا افزایش می یابد. مراجعی که مقالات مربوط به آنها در سیویلیکا نمایه شده و پیدا شده اند، به خود مقاله لینک شده اند :
  • Allen, S. M. and J. W. Cahn (۱۹۷۶). Mechanisms of ...
  • Amaya-Bower, L. and T. Lee (۲۰۱۰). Single bubble rising dynamics ...
  • Amaya-Bower, L. and T. Lee (۲۰۱۱). Numerical simulation of single ...
  • Bao, J. and L. Schaefer (۲۰۱۳). Lattice Boltzmann equation model ...
  • Bhaga, D. and M. E. Weber (۲۰۰۶). Bubbles in viscous ...
  • Cahn, J. W. and J. E. Hilliard (۱۹۵۸). Free Energy ...
  • Chiu, P. H. and Y. T. Lin (۲۰۱۱). A conservative ...
  • Clift, R., J. R. G., M. E. Weber. (۱۹۷۸). Bubbles, ...
  • Ding, H., P. D. M. Spelt and C. Shu (۲۰۰۷). ...
  • Ezzatneshan, E. (۲۰۱۷). Study of surface wettability effect on cavitation ...
  • Ezzatneshan, E. (۲۰۱۹). Comparative study of the lattice Boltzmann collision ...
  • Fakhari, A., D. Bolster and L. S. Luo (۲۰۱۷). A ...
  • Fakhari, A., M. Geier and D. Bolster (۲۰۱۹). A simple ...
  • Fakhari, A., M. Geier and T. Lee (۲۰۱۶). A mass-conserving ...
  • Fakhari, A., Y. Li, D. Bolster and K. T. Christensen ...
  • Fakhari, A., T. Mitchell, C. Leonardi and D. Bolster (۲۰۱۷). ...
  • Fakhari, A. and M. H. Rahimian (۲۰۱۰). Phase-field modeling by ...
  • Geier, M., A. Fakhari and T. Lee (۲۰۱۵). Conservative phase-field ...
  • Hejranfar, K. and E. Ezzatneshan (۲۰۱۵). Simulation of two-phase liquid-vapor ...
  • Holdych, D. J., D. Rovas, J. G. Georgiadis and R. ...
  • Inamuro, T., T. Ogata, S. Tajima and N. Konishi (۲۰۰۴). ...
  • Lee, T. (۲۰۰۹). Effects of incompressibility on the elimination of ...
  • Lee, T. (۲۰۱۹). Fully implicit force splitting scheme to two-phase ...
  • Lee, T. and C. L. Lin (۲۰۰۵). A stable discretization ...
  • Lee, T. and L. Liu (۲۰۱۰). Lattice Boltzmann simulations of ...
  • Liang, H., B. C. Shi, Z. L. Guo and Z. ...
  • Liang, H., J. Xu, J. Chen, H. Wang, Z. Chai ...
  • Lou, Q. and Z. Guo (۲۰۱۵). Interface-capturing lattice Boltzmann equation ...
  • Lou, Q., Z. L. Guo and B. C. Shi (۲۰۱۲). ...
  • Lycett-Brown, D. and K. H. Luo (۲۰۱۵). Improved forcing scheme ...
  • Mattila, K. K., D. N. Siebert, L. A. Hegele and ...
  • Otomo, H., R. Zhang and H. Chen (۲۰۱۹). Improved phase-field-based ...
  • Ren, F., B. Song, M. C. Sukop and H. Hu ...
  • Spencer, T. J., I. Halliday and C. M. Care (۲۰۱۱). ...
  • Su, T., Y. Li, H. Liang and J. Xu (۲۰۱۸). ...
  • Sun, Y. and C. Beckermann (۲۰۰۷). Sharp interface tracking using ...
  • Tölke, J., G. D. Prisco and Y. Mu (۲۰۱۳). A ...
  • Wang, H., X. Yuan, H. Liang, Z. Chai and B. ...
  • Wang, H. L., Z. H. Chai, B. C. Shi and ...
  • Wang, Y., C. Shu, J. Y. Shao, J. Wu and ...
  • Weil, K. G. (۱۹۸۴). J. S. Rowlinson and B. Widom: ...
  • Yan, X., Y. Ye, J. Chen, X. Wang and R. ...
  • Yang, J. and E. S. Boek (۲۰۱۳). A comparison study ...
  • Zhao, W., Y. Zhang and B. Xu (۲۰۱۹). An improved ...
  • Zu, Y. Q. and S. He (۲۰۱۳). Phase-field-based lattice Boltzmann ...
  • نمایش کامل مراجع