A Fluid-Structure Interaction Solver for Compressible Flows with Applications in Blast Loading on Thin Elastic Structures
我们报告的发展和应用的流固耦合（FSI）求解器的可压缩流与大规模流动诱导变形的结构。流固耦合求解器采用分区方法将基于尖界面浸入边界法的流场求解器与开源有限元结构动力学求解器强耦合。流动求解器是基于笛卡尔网格上的高阶有限差分法，并采用幽灵细胞的方法施加边界条件的浸没边界。浸入边界附近的高阶精度是通过结合鬼细胞的方法与加权最小二乘误差方法的基础上的高阶近似多项式。二阶空间精度的流场求解器建立通过执行网格细化研究。结构求解器与规范的弹性静力学问题进行了验证。用已发表的测量结果和激波管爆炸载荷作用下薄弹性钢板大尺度变形的模拟结果验证了流固耦合求解器的有效性。求解器正确地预测了具有合理保真度的面板尖端的振荡行为，并且计算的冲击波传播与已发表的结果定性一致。为了验证求解器的精确性和研究弹性薄板冲击波-结构相互作用的耦合物理，我们采用求解器模拟了弹性薄板上6.4 kg TNT爆炸载荷。爆炸的初始条件取自文献中报道的现场试验。利用数值纹影技术，研究了激波冲击平板时，平板尖端的激波传播、马赫反射和旋涡脱落等现象。我们讨论了板的非线性动力学和爆炸载荷之间的耦合。
2017-05-23 physics.flu-dyn
Helmholtz's decomposition for Aeroacoustics using a standard Flow Solver
本文提出用标准流动求解器实现亥姆霍兹分解，将可压缩速度场分解为涡旋与可压缩结构，并在带唇缘溢流腔体上验证了其识别低马赫数等温流动中声辐射的有效性。
2023-08-08 physics.flu-dyn
An efficient semi-implicit solver for direct numerical simulation of compressible flows at all speeds
本文发展了一种半隐式算法，用于可压缩纳维-斯托克斯方程的时间精确模拟，特别是壁面有界流动。该方法基于与声波相关联的部分对流通量的线性化，以这种方式抑制或至少减轻声学时间步长限制。再加上用熵输运方程代替总能量方程，这种方法避免了经典方法中所涉及的块带状矩阵的求逆，这被标准带状矩阵的要求较低的求逆所取代。通过近似因式分解，将该方法推广到粘性项的隐式积分和多维空间，并作为三阶Runge-Kutta时间推进格式的构造块。对各向同性湍流、平面槽道流动和方管流动进行了数值实验。所有可用的数据支持更高的计算效率比现有的方法，和节省资源的范围从$85\%$在低亚音速流条件下，约$50\%$在超音速流。
2016-08-30 physics.flu-dyn
A multi-ansatz variational quantum solver for compressible flows
针对可压缩流隐式时间积分产生的线性系统，提出多 ansatz 树架构 VQLS 混合量子–经典求解器，并在一维激波管中验证其精度、稳定性与 NISQ 可行性。
2025-08-28 physics.flu-dyn
A fully conservative discrete velocity Boltzmann solver with parallel adaptive mesh refinement for compressible flows
本文提出了一种并行全守恒自适应网格细化（AMR）的有限体积动力学求解器，结合双种群准平衡Bhatnagar-Gross-Krook离散速度玻尔兹曼模型，严格保持守恒定律，准确恢复宏观矩，显著降低计算成本和内存占用，适用于中等超音速可压缩流体动力学模拟。
2025-03-10 physics.flu-dyn
Nektar++: Design and implementation of an implicit, spectral/$hp$ element, compressible flow solver using a Jacobian-free Newton Krylov approach
在高雷诺数下，使用显式时间可压缩流模拟和谱/ $hp$单元离散化会受到时间步长的显著限制。为了缓解这一限制，我们扩展的频谱/ $hp$元素开源软件框架，Nektar++，包括一个隐式不连续Galerkin可压缩流求解器的能力。时间积分采用单对角隐式龙格-库塔法。隐式时间积分产生的非线性系统迭代求解雅可比自由牛顿Krylov（JFNK）方法。JFNK方法的一个有利特征是它广泛使用了以前的显式时间实现中可用的显式运算符。从软件设计的角度分析了隐式求解器的不同构建块的功能，并将其放置在C++库中的适当层次中。在具体的实现中，还分析了求解器的不同部分对计算成本、内存消耗和编程复杂度的贡献。采用解析和数值相结合的方法，以简化编程的复杂性，在形成的预处理矩阵。求解器进行了验证和测试的情况下，如制造的可压缩Poillille流，泰勒-格林涡，在$\text{Re}=3900$圆柱湍流流动和激波边界层干扰。结果表明，隐式求解器可以提高仿真速度，同时保持良好的仿真精度。
2020-02-11 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Technical report on a quantum-inspired solver for simulating compressible flows
本文提出一种基于张量网络的量子启发求解器，用于二维欧拉方程，在时间和内存上随网格规模多对数级扩展，为解决计算流体动力学中的维度灾难提供了新途径。
2025-06-04 physics.comp-ph physics.flu-dyn quant-ph
Vectorial lattice Boltzmann solver for compressible inviscid flows with generic equation of state
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）
本文提出一种带时空自适应松弛系数和自适应时间步进的矢量格子玻尔兹曼模型，用于一般状态方程的可压缩欧拉流，在无激波时二阶收敛，能捕获理想及非理想气体动力学。
2026-09-11 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Riemann Solvers for Phase Transition in a Compressible Sharp-Interface Method
本文考虑了基于Euler-Fourier方程组的具有相变效应的Riemann解。通过经典不可逆热力学理论对相变过程进行建模，得到了两相Riemann问题的一个精确解和两个近似解。通过适当的蒸发和冷凝的Onsager系数获得封闭。我们使用建议的黎曼求解器在一个尖锐的接口水平集鬼流体方法耦合的各个阶段。用Lennard-Jones截断位移流体的分子动力学数据验证了Riemann解的有效性。我们进一步研究了相变对激波-液滴相互作用的影响。
2022-07-05 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
A meshless method for compressible flows with the HLLC Riemann solver
HLLC Riemann解算器可以同时解决激波和接触不连续性问题，是计算流体动力学界研究可压缩流动问题的常用网格方法。虽然它被报道用于无网格方法，关键的信息和程序，以实现这一计划的框架内的无网格方法没有得到充分澄清。此外，无网格HLLC求解器处理可压缩液体流动的能力还不完全清楚，因为很少有相关的研究报告。因此，在这项研究中，进行了全面的调查维非分裂HLLC黎曼解的最小二乘无网格方法。采用加强气体状态方程使该方法能够有效地处理单相气体和/或液体，而直接将理想气体状态方程应用于可压缩液体流动可能会遇到很大的困难，在关联状态变量。欧拉方程的空间导数由最小二乘近似计算，通量项由HLLC格式在维非分裂模式中计算。完成了气液激波管、圆柱运动激波、通道内超声速流动和翼型跨音速外流场的数值模拟。目前的方法是通过广泛的比较所产生的数值结果与各种可用的数据，如精确解，有限体积网格法的结果，实验测量或其他参考结果进行验证。
2014-02-11 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A fully-differentiable compressible high-order computational fluid dynamics solver
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）
流体流动在自然和工程学科中无处不在。由于多时空尺度上的非线性相互作用，流体的可靠计算一直是一个长期的挑战。可压缩的纳维-斯托克斯方程控制可压缩流动，并允许复杂的现象，如湍流和冲击。尽管在硬件和软件方面取得了巨大的进步，但捕获流体流动中的最小长度尺度仍然为现实生活中的应用引入了令人望而却步的计算成本。我们目前正在目睹一个范式转变，以机器学习支持的设计的数值方案作为一种手段，以解决上述问题。虽然先前的工作已经探索了一维或二维不可压缩流体流动的微分算法，我们提出了一个完全可微的三维框架，使用高阶最先进的数值方法计算可压缩流体流动。首先，我们通过计算经典的二维和三维测试用例，包括强冲击和过渡到湍流，证明了我们的求解器的效率。其次，更重要的是，我们的框架允许端到端的优化，以改善现有的数值计划内的计算流体动力学算法。特别是，我们使用神经网络来代替传统的数值通量函数。
2021-12-09 cs.LG physics.flu-dyn
High-order Discontinuous Galerkin solver based on Jacobi polynomial expansion for compressible flows on unstructured meshes
本文提出一种基于雅可比多项式展开的非结构网格任意高阶间断伽辽金求解器，结合改进激波捕捉与斜率限制器，并通过基准和二维、三维算例验证了其精度与效率。
2024-11-24 physics.comp-ph physics.flu-dyn
STREAmS: a high-fidelity accelerated solver for direct numerical simulation of compressible turbulent flow
我们提出了STREAmS，一个内部高保真求解器的大规模，大规模并行直接数值模拟（DNS）的可压缩湍流的图形处理单元（GPU）。STREAmS是用Fortran 90语言编写的，它是为进行规范的可压缩有壁流动的DNS而设计的，即紊流平面通道、零压力梯度紊流边界层和超音速斜激波/边界层相互作用。该求解器采用了最先进的数值算法，专门设计用于解决与高速湍流有关的具有挑战性的问题，并可用于从低亚音速到高超音速范围的宽范围的马赫数。cuf自动内核的使用允许在GPU架构上轻松高效地移植，最大限度地减少了对原始CPU代码的更改，这也是保持的。我们讨论了一个内存分配策略的基础上重复的主机和设备的阵列，仔细最大限度地减少内存使用，使求解器适合大规模计算的最新GPU卡。不同CPU和GPU架构之间的比较强烈倾向于后者，在单个NVIDIA Tesla P100上执行求解器相当于使用大约330个Intel Knights Landing CPU内核。STREAmS显示了非常好的强大的可扩展性和基本上理想的弱可扩展性高达2048 GPU，铺平了道路，在真正的高雷诺数制度的模拟，可能在摩擦雷诺数$Re_τ > 10^4$。该求解器在GPL v3许可下开源发布，可在https://github.com/matteobernardini/STREAmS上获得。
2020-04-05 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Implicit High-Order Flux Reconstruction Solver for High-Speed Compressible Flows
本文讨论了第一个高阶通量重建（FR）求解器的开发和实施的高速流动内的开源COOLFluiD（计算面向对象的库流体动力学）平台。所得到的求解器是完全隐式的，并且能够在二维和三维中模拟由欧拉或纳维-斯托克斯方程控制的可压缩流问题。此外，它可以在多个CPU内核上并行运行，旨在处理由直边和曲边四边形或六面体单元组成的非结构化网格。虽然大多数的实现依赖于国家的最先进的FR算法，一个改进的和更多的情况下独立的激波捕捉计划已经开发，以解决第一粘性高超声速模拟使用FR方法。通过使用可再现的基准测试用例，对FR求解器进行了广泛的验证，测试用例的流速范围从亚音速到高超音速，最高可达17.6马赫。所获得的结果已被有利地与文献中的那些。此外，所谓的超精度检索某些情况下求解欧拉方程时。FR求解器的强度在计算精度方面的每自由度也说明了。最后，讨论了FR方法的特征参数的影响以及新的激波捕捉方案对求解器精度的影响。
2018-11-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Validation of an immersed boundary method for compressible flows
本文总结了可压缩流动数值模拟中浸入边界法的一些最新验证结果。已经表明，该方法能够提供准确的结果，而无需围绕或多或少复杂的几何形状进行网格划分。在这里，作者重点介绍了几个简单的测试案例，以评估该方法的应用范围。从亚音速到高超音速流动，从定常到大涡非定常模拟，在二维或三维，结果与经典的模拟与贴体网格和实验进行了比较。此外，在所有情况下使用有效的Navier-Stokes求解器是该方法的优点之一，可以在更短的时间内提供CFD解。
2019-02-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
An improved unified solver for compressible and incompressible fluids involving free surfaces. II. Multi-time-step integration and applications
提出了一种改进的数值求解器，用于统一求解含界面的可压缩和不可压缩流体问题。本方法基于CIP-CUP（Cubic Interpolated Propagation / Combined，Unified Procedure）方法，该方法是用于流体流动的欧拉方程的基于压力的半隐式求解器。在本系列文章的第一部分[M。艾达电脑物理通讯132（2000）44]中，我们提出了一种改进的对流项格式，它通过仅在界面附近使用二次外推函数代替CIP格式中的三次插值函数，从而允许对密度界面的不连续描述。本文作为本系列的第二部分，将多时间步长积分技术应用于CIP-CUP积分。由于CIP-CUP分别处理流体方程中的不同性质分量，因此该技术的适应性很简单。这种修改使我们能够灵活地确定时间间隔，从而实现有效和准确的积分。此外，我们的方法提出了一些额外的讨论。最后，应用结果的复合流问题，如可压缩和不可压缩Kelvin-Helmholtz不稳定性和两个声学耦合的可变形气泡在粘性液体中的动力学。
2002-12-25 physics.comp-ph physics.flu-dyn
How to train your solver: A method of manufactured solutions for weakly-compressible SPH
弱可压缩光滑粒子流体动力学（英语：Weakly-Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics，缩写为WCSPH）方法是一种拉格朗日方法，通常用于模拟不可压缩流体。在开发基于SPH的方案或求解器时，研究人员经常使用精确解、其他数值技术的解或实验数据来验证他们的代码。这通常需要大量的计算工作，并且不能测试求解器的全部功能。此外，这通常不会产生关于求解器收敛性的见解。在本文中，我们介绍了制造解决方案（MMS）的方法，以全面测试WCSPH为基础的求解器在一个强大的和有效的方式。MMS是建立在基于网格的数值求解器的上下文中。我们展示了如何将该方法应用于拉格朗日WCSPH解算器的背景下，测试的收敛性和精度的求解器在二维和三维，系统地识别任何问题的求解器，并测试边界条件的有效方式。我们证明了这两个传统的WCSPH计划以及最近提出的一些二阶收敛WCSPH计划。我们的代码是开源的，手稿的结果是可复制的。
2021-10-26 cs.NA math.NA physics.comp-ph
A Morphing Continuum Analysis of Energy Transfer in Compressible Turbulence
提出并验证了一种基于广义Lax-Friedrichs分裂通量的变形连续统理论（MCT）的保激波有限体积法。数值MCT求解器在马赫数为2.93的超声速湍流中通过$8^{\circ}$压缩斜坡进行了演示。模拟结果验证了MCT作为可压缩湍流模拟的替代方案的可行性。MCT模拟所需的最小网格单元的大小几乎是一个订单大于在类似的DNS研究。比较表明，MCT是一个更计算友好的理论比经典的NS方程。通过MCT引入的子尺度旋转，阐明了能量级联在单个涡旋长度尺度上的动力学过程。在这方面，MCT提供了一个统计平均程序捕获的能量转移在可压缩湍流，没有发现在经典流体理论。MCT结果的分析表明，存在的内部和平移的动能波动与相应的涡流旋转能量波动的统计耦合，表明能量的多尺度转移。总之，MCT在不使用过多计算资源的情况下给出了可压缩湍流内能量级联的新表征。
2018-02-07 physics.flu-dyn
Numerical validation and physical explanation of the universal force theory of three-dimensional steady viscous and compressible flow
在最近的一篇论文中，Liu et al. [``Lift and drag in three-dimensional steady viscous and compressable flow ''，Phys. Fluids 29，116105（2017）]获得了一个通用的理论，用于三维稳定流中物体上的气动力，从不可压缩一直到超音速状态都有效。在该理论中，总气动力可以仅由定常线性远场中单个尾迹面上的涡量分布来确定。尽管这一结果至关重要，但其有效性和在实践中的表现尚未得到研究。本文对三维机翼的亚音速、跨音速和超音速流动进行了雷诺平均纳维尔-斯托克斯数值模拟。由万有力理论得到的气动力与由标准壁面应力积分得到的气动力进行了比较。这两个公式之间的协议首次证实了理论的有效性在三维定常粘性和可压缩流。普适公式的良好性能主要是由于尾流中的湍流粘度远大于其中的分子粘度，这可以显著减小定常线性远场到物体的距离。为了进一步验证理论的正确性，将理论计算结果与数值模拟结果进行了比较。通过识别尾流中不同的涡量源来解释与理论的普遍性相关的基本物理。
2020-12-21 physics.flu-dyn
A Massively Parallel Hybridizable Discontinuous Galerkin Solver for Direct Numerical Simulation of Compressible Flows on GPUs
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）
本文提出面向GPU的大规模并行HDG求解器，结合高阶离散化、DIRK时间积分等技术，在三类可压缩流基准问题上验证其可解析多种流态的能力，实现高效DNS计算。
2026-08-31 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
MFC: An open-source high-order multi-component, multi-phase, and multi-scale compressible flow solver
MFC是一个开源工具，用于求解多组分、多相和气泡可压缩流。它能够有效地解决广泛的流动，包括液滴雾化，激波-气泡相互作用和气泡空化。我们提出了5-和6-方程的vaprically-consistent扩散界面模型，我们用来处理这样的流量，这是耦合到高阶界面捕获方法，HLL型黎曼求解器，和TVD时间积分方案，能够模拟非定常流与强冲击。数值方法是在一个灵活的，模块化的框架，适合未来的发展。我们采用的方法进行了验证，通过比较激波气泡，激波液滴，和激波水柱相互作用问题的实验结果，并验证是免费的寄生振荡的材料界面平流和气液黎曼问题。对于光滑解，如等熵涡的平流，该方法被验证是高阶精度。说明性的例子，涉及冲击气泡血管壁和声气泡网的相互作用被用来证明MFC的全部功能。
2019-07-24 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Hybridisable discontinuous Galerkin formulation of compressible flows
本文对可压缩流动中的高阶混合间断Galerkin（HDG）方法进行了综述。此外，一个原始的统一框架推导的黎曼解算子的混合配方提出。这个框架包括，第一次在HDG的上下文中，HLL和HLLEM黎曼解算子以及传统的Lax-Friedrichs和Roe解算器。HLL型黎曼解算子在超音速情况下，由于其正性保持性能，证明了其优越性。此外，HLLEM特别突出的边界层近似，因为它的剪切保存，这赋予它一个增加的精度相对于HLL和Lax-Friedrichs。一套全面的相关数值基准的粘性和无粘可压缩流。测试用例被用来评估的竞争力，从而产生的高阶HDG计划与上述黎曼解算子，并配备了基于人工粘性的冲击处理技术。
2020-09-10 cs.CE cs.NA math.NA
Accuracy and scalability of asynchronous compressible flow solver for transitional flows
本文将两种容异步算法集成到高阶可压缩流动求解器COMP-SQUARE中，通过涡平流、Taylor-Green涡和NACA0012翼型转捩流动三个算例验证了其在极端并行规模下保持精度并实现最高4倍加速的能力。
2025-06-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
RANS solver for microscale pollution dispersion problems in areas with vegetation: Development and validation
我们提出了一个有限体积求解器的描述和验证，旨在解决微尺度城市流动的问题，植被存在。求解器基于大气边界层流动的五方程组的平均纳维-斯托克斯方程，并由k-ε湍流模型补充。植被被模拟为多孔区，植被的影响包括在动量和湍流方程。一个详细的干沉降模型被纳入污染物传输方程，允许城市植被的过滤性能的调查。求解器验证四个测试用例，以评估模型的组成部分：周围的二维山丘的流量和污染物扩散，上升的热气泡的时间演变，通过和周围的森林树冠层的流量，和一个绿篱过滤颗粒负载流。一般良好的协议与测量值或以前计算的数值解观察，虽然模型的一些不足之处被确定。这与所选择的湍流模型和植被特性的不确定性有关。
2016-09-12 physics.flu-dyn
A comparison between weakly-compressible smoothed particle hydrodynamics (WCSPH) and moving particle semi-implicit (MPS) methods for 3d dam-break flows
本文针对三维溃坝流动比较DualSPHysics中的WCSPH求解器与自研不可压缩MPS求解器，结合实验数据评估波高、压力、作用力、人工黏性影响及计算成本。
2023-06-02 physics.flu-dyn
An efficient parallel immersed boundary algorithm using a pseudo-compressible fluid solver
Simon Fraser University（西蒙菲莎大学）
本文提出一种适用于分布式内存架构的高效浸没边界方法，具有完全显式方法的计算复杂度和优秀的并行扩展性，通过伪可压缩性方法将不可压缩纳维-斯托克斯方程离散化，减少线性系统为一维三对角系统，并通过二维和三维流固耦合问题验证算法的精度和收敛率。
2014-05-19 cs.DC cs.NA math.NA
A space-time LATIN-PGD strategy for solving Newtonian compressible flows
Université Paris-Saclay, CentraleSupélec, ENS Paris-Saclay, CNRS, LMPS - Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay（巴黎萨克雷大学，中央理工-苏佩莱克学院，巴黎萨克雷高等师范学院，法国国家科学研究中心，巴黎萨克雷力学实验室）；Leibniz University Hanover, Institute of Continuum Mechanics（汉诺威莱布尼茨大学，连续介质力学研究所）
本文提出了一种用于求解牛顿可压缩流的时空LATIN-PGD策略，通过压力-速度解耦算法和PGD分解方法，实现了对复杂流体问题的高效模拟。
2026-02-02 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Adaptive Algebraic Multiscale Solver for Compressible Flow in Heterogeneous Porous Media
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）；Stanford University（斯坦福大学）
本文提出了一种自适应代数多尺度求解器（C-AMS）用于异质多孔介质中的可压缩流，通过构建保守的粗尺度系统和局部基函数，结合自适应更新的求解器和多尺度方法，提高求解效率。
2017-05-15 cs.CE cs.NA math.NA
OpenACC offloading of the MFC compressible multiphase flow solver on AMD and NVIDIA GPUs
本研究针对可压缩多相流求解器的GPU加速需求，通过OpenACC结合多种编译优化、数组打包、元编程内联等技术，在NVIDIA和AMD GPU上实现显著加速，并验证了优异的弱扩展与强扩展效率。
2024-09-16 cs.MS physics.comp-ph physics.flu-dyn
Cross-validation of meshless Navier-Stokes solvers in porous media flows
本文交叉验证了两种无网格CFD求解器（LBM和人工可压缩Navier-Stokes）在多孔介质流动中的性能，通过h-细化离散和RBF方法，在多种孔隙率下与文献数据高度一致，并扩展了模拟范围。
2025-09-11 physics.flu-dyn
Two-stage Fourth-order Gas Kinetic Solver-based Compact Subcell Finite Volume Method for Compressible Flows over Triangular Meshes
为满足小尺度流动结构复杂性和高分辨率的要求，将气体动力学求解器（GKS）与子单元技术相结合，发展了一种两步四阶子单元有限体积（SCFV）方法，用于非结构三角形网格上的可压缩流动.与基于四阶GKS的传统有限体积（FV）方法相比，该方法通过将每个单元划分为一组子单元或控制体积（CV），并仅选择面相邻单元进行高阶紧致重构，从而有效地实现了紧致性.由于一组CV共享一个解多项式，因此重建比传统FV-GKS更有效，因为传统FV-GKS需要单独重建每个CV。与单级三阶SCFV-GKS方法不同，两级四阶时间离散方法的计算精度和计算效率都得到了显著的提高，其中只需要一个二阶气体分布函数，简化了通量函数的构造，降低了计算成本。对于粘性流动，不需要用GKS计算粘性项。与四阶龙格-库塔法相比，在达到四阶时间精度的同时，节省了一半的时间，提高了计算效率。因此，一个新的高阶方法的紧凑性，效率，和鲁棒性相结合的SCFV方法与两阶段的气体动力学通量。几个基准案例进行了测试，以证明该方法在可压缩流模拟的性能。
2021-10-11 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Thermodynamical Effects and High Resolution Methods for Compressible Fluid Flows
Institute of Applied Physics and Computational Mathematics（应用物理与计算数学研究所）
本文探讨了可压缩流体流动中热力学效应在高分辨率方法设计中的作用，通过改进GRP求解器展示了热力学变化如何影响强波的数值解，同时证明了该求解器适用于通用状态方程。
2017-02-07 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
A new Timestep Criterion for the Simulation of Immiscible Two-Phase Flow with IMPES Solvers
Fraunhofer ITWM（弗劳恩霍夫应用数学研究研究所）；RPTU Kaiserslautern-Landau（莱茵兰-普法尔茨科学技术大学）
本文提出了一种迭代IMPES求解器和新的时间步长准则，用于模拟涉及压缩性流体相的不可混溶双相流。该时间步长准则结合Courant-Friedrichs-Lewy条件和数值计算的速度导数，适应时间步长大小，不依赖主导流动特征。该求解器在多种流动场景中表现出高效和鲁棒性，包括压降主导和毛细管主导流动，且无需调整任何数值参数。此外，它在具有不连续多孔介质参数（如孔隙率、渗透率和毛细管压力函数）的案例中成功达到预期的稳态状态。与传统Coats时间步长准则相比，本文的方法在Buckley-Leverett问题和重力-毛细管平衡示例中保持了相似的精度，但时间迭代次数更少。在空气压缩示例中，新时间步长准则在非润湿相质量守恒方面显著优于Coats准则。
2026-05-21 physics.flu-dyn
Assessment of Gradient-based Reconstruction and Artificial Diffusivity Methods in Simulating High-Speed Compressible Flows
本文评估了基于梯度的重建和人工扩散方法在模拟高速可压缩流中的性能，提出混合方法以提高稳定性和效率。
2025-11-22 physics.flu-dyn
JAX-FLUIDS: A fully-differentiable high-order computational fluid dynamics solver for compressible two-phase flows
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）
物理系统由偏微分方程（PDE）控制。纳维-斯托克斯方程描述流体流动，并且是具有复杂时空相互作用的非线性物理系统的代表。流体流动在自然界和工程应用中无处不在，其精确模拟对于深入了解这些过程至关重要。虽然偏微分方程通常用数值方法求解，但最近机器学习（ML）的成功表明，ML方法可以提供寻找偏微分方程解的新途径。ML越来越多地出现在计算流体动力学（CFD）中。然而，到目前为止，还没有一个通用的ML-CFD软件包，它提供1）强大的最先进的数值方法，2）ML与CFD的无缝混合，以及3）自动微分（AD）功能。AD对于ML-CFD研究尤其重要，因为它提供了梯度信息，并能够优化现有的和新的CFD模型。在这项工作中，我们提出了JAX-FLUIDS：一个全面的完全可微的CFD Python求解器，用于可压缩两相流。JAX-FLUIDS允许模拟复杂的流体动力学，包括三维湍流、压缩性效应和两相流等现象。完全用JAX编写，可以直接将现有的ML模型包含到建议的框架中。此外，JAX-FLUIDS支持端到端优化。即，ML模型可以通过整个CFD算法反向传播的梯度进行优化，因此不仅包含底层PDE的信息，还包含所应用的数值方法的信息。我们相信，像JAX-FLUIDS这样的Python包对于促进ML和CFD交叉领域的研究至关重要，并可能为可微分流体动力学时代铺平道路。
2022-03-25 cs.LG physics.flu-dyn
Quantum-Inspired Computational Fluid Dynamics for Transient Turbulent Compressible Flows
The University of Melbourne（墨尔本大学）；Monash University（莫纳什大学）
本研究解决量子启发CFD仅适用于不可压缩流动的问题，开发首个基于TT格式的QICFD求解器，通过TGV测试验证其正确性，可并行模拟且成本低，同时指出其需改进以适配工业场景。
2026-08-28 physics.flu-dyn quant-ph
A Discrete Immersed Boundary Method for the numerical simulation of heat transfer in compressible flows
本文提出了一种离散强迫浸没边界法（IBM）来数值模拟包含热交换的高速流动问题。流场由可压缩纳维-斯托克斯方程控制，该方程通过使用开源库OpenFOAM求解。数值求解器被修改，包括源项的动量方程和能量方程，占浸没体的存在。该方法是验证一些基准测试案例处理强制对流问题和移动浸没机构。所得结果与文献中提供的数据非常吻合。通过研究不同壁温的加热球的三维高马赫绕流，进一步评估了该方法。即使对于这种更复杂的测试情况下，该方法提供了一个准确的热场和速度场的表示。
2023-01-23 physics.flu-dyn
A New Riemann Solver for Modelling Bridges in Flood Flows -- Development and Experimental Validation
河流中的水流会受到水流障碍物或人工结构（如桥梁、堰和水坝）的强烈影响。在洪水期间尤其如此，可能导致显著的回水效应或水流偏离河岸。然而，在当代工业实践中，线性特征（如桥梁）通常使用粗略近似、基于经验的方法建模或完全省略。本文提出的是一种新的黎曼求解器，它能够模拟水动力洪水模型，使用有限体积方案来解决浅水方程的影响，这些功能。该解决方案的过程表示相邻细胞之间的界面处的结构，并使用一个组合的内部边界条件和不同形式的守恒律在相邻的细胞来解决跨界面的数值通量。由于该过程仅适用于单元相邻的接口处的结构被建模，因此该方法是潜在的兼容与现有的流体动力学模型。从最先进的研究水槽收集的验证数据的比较表明，求解器是适合模拟一系列的流动条件和结构配置，如桥梁和闸门。
2022-07-07 physics.flu-dyn
A Second-Order, Variable-Resolution, Weakly-Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics Scheme
针对SPH方法中二阶收敛与自适应分辨率的重大挑战，本文首次提出一种二阶收敛的自适应细化策略及弱可压缩SPH格式，并通过构造解方法和数值算例验证了其收敛性与适用性。
2024-07-26 physics.flu-dyn
Numerical simulation of wave impact on a rigid wall using a two-phase compressible SPH method
在本文中，SPH方法的基础上的SPH-ALE制定用于模拟两相流与大密度比和现实的声速。进一步改进了SPH格式，避免了SPH模拟中可能出现的拉伸不稳定性。然后，使用两阶段SPH求解器对液体冲击刚性壁的基准问题进行建模。结果与不可压缩的水平集求解器。此外，波浪冲击的刚性壁与一个大的夹带空气袋的建模。SPH模拟由完全非线性势流求解器的输出初始化。分析了冲击波的压力分布、速度场和冲击压力。
2020-03-22 cs.NA math.NA physics.comp-ph
A segregated reduced order model of a pressure-based solver for turbulent compressible flows
本文提出一种针对湍流可压缩流动的分离降阶模型框架，通过混合方法投影Navier-Stokes方程并结合数据驱动或神经网络近似粘性场，实现对高雷诺数和高马赫数流场的准确预测。
2024-05-30 cs.CE cs.NA math.NA
A Validation and Uncertainty Quantification Framework for Eulerian-Eulerian Two-Fluid Model based Multiphase-CFD Solver. Part I: Methodology
针对基于欧拉-欧拉双流体模型的多相计算流体动力学求解器（MCFD），提出了一种验证和不确定性量化（VUQ）框架。该框架旨在回答这样一个问题：如何评估MCFD求解器是否充分代表了感兴趣的多相系统的基本物理特性？所提出的框架是基于总的数据模型集成（TDESS）的方法，使用贝叶斯方法来反向量化的不确定性的求解器的预测与多个实验数据集的支持。该框架包括六个步骤，采用最先进的统计方法，包括：1）。求解器评估和数据收集; 2）.代理模型构建; 3）.敏感性分析; 4）.参数选择; 5）.利用贝叶斯推断的不确定性量化;以及6）。验证指标计算。这些步骤是以模块化方式并使用非侵入性方法制定的。这样的功能确保了灵活的框架，以不同的场景和多相流和沸腾传热建模的适用性，以及框架的可扩展性，以支持不同的MCFD求解器的VUQ。
2018-10-22 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Eulerian-Lagrangian modelling of detonative combustion in two-phase gas-droplet mixtures with OpenFOAM: validations and verifications
基于OpenFOAM开发了欧拉-拉格朗日混合求解器RYrhoCentralFoam，对气液两相爆轰燃烧进行了数值模拟。对于欧拉气相，RYrhoCentralFoam在时间和空间离散上具有二阶精度，并且基于多面体单元上的有限体积法。基于OpenFOAM中的标准可压缩流求解器rhoCentralFoam进行了以下开发：（1）多组分物质输运，（2）气相燃烧的详细燃料化学，以及（3）气-液滴两相流的拉格朗日求解器和液滴的子模型。为了广泛地验证和验证求解器和模型的开发和实现，研究了一系列基准案例，包括非反应多组分气流，纯气体爆炸和两相气滴混合物。结果表明，RYrhoCentralFoam求解器能够准确地预测流动间断（如激波和膨胀波）、分子扩散、自燃和激波诱导点火。此外，RYrhoCentralFoam求解器可以准确地模拟不同燃料（例如氢气和甲烷）的气相爆震传播，包括传播速度、爆震前沿结构和单元尺寸。与液滴相相关的子模型针对分析和实验数据进行验证和/或确认。RYrhoCentralFoam求解器能够捕捉气液两相爆轰的主要量和特征，包括爆轰传播速度、相间相互作用和爆轰前沿结构。作为我们未来的工作，RYrhoCentralFoam求解器也可以扩展到模拟密集液滴喷雾中的两相爆轰。
2020-09-21 physics.flu-dyn
Semi-Lagrangian lattice Boltzmann method for compressible flows
本文深入研究了可压缩流动的半拉格朗日格子玻尔兹曼（SLLBM）求解器。与其他可压缩流的LBM相比，顶点被组织在单元中，并且使用高达四阶的插值多项式来获得离顶点分布函数值。与最近引入的按需粒子（PoD）方法不同，该方法在静态、非移动参考系中操作。然而，本公式中的SLLBM允许超音速流动，并表现出高度的伽利略不变性。SLLBM求解器允许独立的时间步长，这是由于沿特征线的积分以及使用不寻常的速度集，如D2 Q25，它是由五阶Hermite多项式的根构造的。本模型的属性显示在不同的例子模拟的二维泰勒-格林涡，一个Sod激波管，一个二维黎曼问题和激波-涡相互作用。结果表明，基于细胞的插值和使用的高斯-Lobatto-Chebyshev支持点允许空间高阶的解决方案，并尽量减少插值所造成的质量损失。激波-涡干扰中的变换网格对非均匀网格具有普遍适用性。
2020-04-08 physics.comp-ph physics.flu-dyn
High-order gas-kinetic scheme in general curvilinear coordinate for iLES of compressible wall-bounded turbulent flows
本文发展了一种用于可压缩湍流数值模拟的一般曲线坐标系下的高阶气体动力学格式（HGKS-cur）。基于坐标变换，将Bhatnagar-Gross-Krook（BGK）方程从物理空间变换到计算空间。为了处理由离散点给出的一般网格，需要通过逐维拉格朗日插值构造几何度量。在计算域中采用多维加权基本无振荡（WENO）重建，重建变量为单元平均雅可比矩阵和雅可比加权保守变量，以保证空间精度。两阶段的四阶方法，这是发展的时空耦合流动求解器，用于时间离散。无粘和层流的数值算例验证了HGKS-cur的精度和几何守恒定律。作为HGKS-cur的直接应用，本文将其应用于可压缩壁面湍流的隐式大涡模拟（iLES），包括可压缩槽道湍流和可压缩周期性起伏湍流。HGKS-cur的iLES计算结果与文献中的谱方法和高阶有限体积方法的计算结果吻合较好。HGKS-cur的性能表明其作为可压缩壁面湍流和大规模分离流数值模拟的有力工具的能力。
2021-07-19 physics.flu-dyn
Lattice Boltzmann Method for Compressible Navier-Stokes-Fourier Equations
Karlsruhe Institute of Technology (KIT)（卡尔斯鲁厄理工学院）；Institute of Mechanical Process Engineering and Mechanics (MVM)（机械工艺工程与力学研究所）；Institute for Applied and Numerical Mathematics (IANM)（应用与数值数学研究所）
该研究提出一种由符号编译器自动推导的三维可压缩Navier-Stokes-Fourier方程格子玻尔兹曼格式，经精确解与基准数据验证，在超音速Taylor-Green涡模拟中表现优于7种对比求解器。
2026-08-14 cs.MS physics.flu-dyn
A non-oscillatory face-centred finite volume method for compressible flows
这项工作提出了面心有限体积（FCFV）的可压缩流动的模拟范例。FCFV方法在人脸重心处定义未知数，并使用杂交过程来消除单元内的所有自由度。此外，黎曼解算器的数值通量的表达式内隐含定义。由此产生的方法提供了一阶精确的近似保守量，即密度，动量和能量，以及粘性应力张量和热通量，而不需要任何梯度重建程序。因此，FCFV求解器在存在扭曲和高度拉伸的单元时保持近似的准确性，从而提供对网格质量不敏感的求解器。此外，FCFV是能够构建尖锐的不连续性，而不诉诸激波捕捉或限制技术的非振荡近似。对于低马赫数的流动，该方法是鲁棒的，并且能够在不需要引入特定的压力校正策略的情况下计算不可压缩极限中的精确解。一组二维和三维基准的外部流来验证的方法在不同的流态，从无粘到粘性层流，从跨音速到亚音速不可压缩流，展示其潜力，处理可压缩流在现实的情况下。
2022-01-06 cs.CE cs.NA math.NA
A Validation and Uncertainty Quantification Framework for Eulerian-Eulerian Two-Fluid-Model based Multiphase-CFD Solver. Part II: Applications
本文是两部分系列的第二部分，介绍并演示了验证和不确定性量化（VUQ）框架，该框架有两个主要目的：i）。量化闭合关系参数和多相计算流体动力学（MCFD）求解器的预测的不确定性; ii）.评估求解器预测与实验测量之间的一致性。论文第一部分概述了本文的研究框架，以及相应的理论和方法.在本文中，该框架的工作流程的实施和证明了两个相关的案例研究：过冷沸腾流和绝热泡状流的壁面沸腾传热。通过两种不同的全局敏感性分析（GSA）方法：莫里斯筛选和Sobol指数的影响关闭关系参数的多个感兴趣的量（QoIs）。利用模块化贝叶斯方法对相关闭合关系的模型形式不确定性和模型参数不确定性进行了评估。通过将获得的不确定性传播通过求解器来量化QoS的不确定性。使用两种不同的验证度量：置信区间和面积度量来评估求解器预测的QoIs和实验测量之间的一致性。结果表明，该框架的适用性。
2018-10-22 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Towards High-Order CFD-DEM: Development and Validation
CFD-DEM用于模拟固-流体系。DEM模拟离散颗粒的运动，而CFD模拟流体相。耦合都需要计算的空隙率和固体-流体力，导致计算昂贵的方法。此外，评估体积平均量局部限制了颗粒与细胞尺寸比，限制了CFD的准确性。为了减轻这些限制，我们开发了一个单片有限元CFD-DEM求解器，支持动态负载平衡并行化。这允许更稳定，更准确和更省时的模拟，因为负载平衡确保了处理器之间的工作负载均匀分布;因此，有效地利用可用资源。我们的求解器还支持高阶方案，因此，允许使用更大的元素，提高有效性和稳定性的空隙率计划，同时实现更好的精度。我们验证和验证我们的CFD-DEM求解器与大量的测试用例：瑞利泰勒不稳定性，颗粒沉降，流化床和喷动床。
2022-11-02 physics.flu-dyn
Methods for compressible fluid simulation on GPUs using high-order finite differences
我们专注于实施和优化六阶有限差分求解器，用于在GPU上使用三阶龙格库塔积分来模拟可压缩流体。由于图形处理单元在数据并行任务中表现良好，这使得它们成为流体模拟的有吸引力的平台。然而，高阶模板计算相对于GPU的主存储器和高速缓存都是存储器密集型的。我们提出了两种方法来模拟可压缩流体使用55点和19点的stenetrance。我们试图减少内存带宽和缓存大小的要求，在我们的方法，通过使用缓存块和分解成几个带宽绑定内核的延迟绑定内核。我们最快的实施方案受带宽限制，并在Tesla K40 t GPU上每秒集成$343$百万网格点，与基于两个英特尔至强E5- 2690 v3处理器的同类流体动力学求解器相比，实现了$3.6 \times$加速。我们的替代GPU实现是延迟受限的，并实现每秒$168$百万次更新的速率。
2017-07-27 astro-ph.IM cs.DC physics.comp-ph
The reconstructed thermal lattice Boltzmann flux solver and its applications for simulations of thermal flows
热格子玻尔兹曼通量求解器（TLBFS）的提出是为了克服热格子玻尔兹曼模型的缺点。然而，作为一个弱可压缩模型，其良好的数值稳定性的机制高瑞利数的热流还不清楚。为了揭示这一机制，本文首先通过近似计算过程，推导出了具有实际数值耗散项的TLBFS宏观方程。通过有限体积法求解MEs-TLBFS，提出了重构TLBFS（RTLBFS）。详细的分析表明，这些实际的数值耗散项是TLBFS的高瑞利数热流的良好的数值稳定性的机制。更详细的数值试验表明，RTLBFS具有类似的性能TLBFS的稳定性，精度和效率。此外，本RTLBFS显示了一个明确的机制，以实现良好的数值稳定性高瑞利数流。
2022-02-27 physics.flu-dyn
Validation and Uncertainty Quantification for Wall Boiling Closure Relations in Multiphase-CFD Solver
基于双流体模型的多相计算流体动力学（MCFD）被认为是研究两相流动和沸腾系统的最有前途的工具之一。MCFD求解器需要闭合关系来使守恒方程可解。例如，壁面沸腾闭合关系提供了对壁面沸腾和热分配的预测。这些闭合关系的准确性显着影响求解器的预测能力。本文对MCFD求解器中壁面沸腾闭合关系的验证和不确定性量化进行了研究。这项工作有三个目的：（一）。通过灵敏度分析识别对沸腾系统的感兴趣的量有影响的参数; ii）.在多个数据集的支持下通过贝叶斯推断评估参数不确定性; iii）.定量测量求解器预测和数据集之间的一致性。本文对广泛应用的Kurul-Podowski壁面沸腾闭合关系进行了研究。使用了几种统计方法，包括用于全局敏感性分析的Morris筛选方法，用于逆贝叶斯推断的马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC），以及作为验证度量的置信区间。VUQ的结果表明，目前的经验关联式为基础的壁面沸腾关闭关系取得了令人满意的协议，壁面沸腾的预测。然而，封闭关系也表现出内在的不一致性，并未能得到一致的准确预测所有数量的利益超过发达的核沸腾制度。
2018-09-24 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A numerical scheme for the compressible low-Mach number regime of ideal fluid dynamics
Würzburg University（维尔茨堡大学）；Heidelberg Institute for Theoretical Studies（海德堡理论研究所）
本文提出了一种基于Roe求解器的新技术，用于正确表示低马赫数流动，分析了该方案的性质，并通过线性稳定性分析和隐式时间积分测试，展示了其在Gresho涡流中的高精度性能。
2016-12-12 astro-ph.SR cs.NA math.NA
A compressible Reynolds-averaged mixing model considering turbulent entropy and heat flux
本研究针对可压缩混合流动，在不可压缩K-L-y模型基础上引入物理可压缩性修正，整合湍流熵与热通量，构建了新型可压缩RANS混合模型，并经系统验证有效。
2025-06-19 physics.flu-dyn
