用于船舶自由液面流的 Cahn-Hilliard Navier-Stokes 模拟

本文致力于空气与水的海事两相流模拟。重点是将经典的流体体积法（VoF）通过源自 Cahn-Hilliard（CH）模型的扩散项进行扩展，及其对模拟不混溶、不可压缩两相流的优势。此类流动主要由隐式 VoF 格式模拟，其大多采用启发式下风偏置近似来传输浓度以模拟尖锐界面。该策略引入了严格的时间步长限制，并对稳态流需要伪时间步进。我们的总体目标是合理描述自由液面区域，以缓解人为时间步长限制，促进高效且鲁棒的数值框架，并在需要时固有地包含表面张力效应。该方法针对解析 Couette 流算例及表面张力作用下的气泡生成进行了验证。二维验证算例涉及从重力到毛细尺度的层流驻波以及浸没水翼流。最终应用涉及在固定浮态下实验研究的集装箱船的 3D 流场，Re=1.4E+07，Fn=0.26。结果与 VoF 方法所得数据进行比较，并辅以解析解与测量值。研究表明，基于 CH 的扩展在界面 Courant 数空间范围受限的自由液面流中具有更优的效率、重新锐化能力和更广的预测范围。