Published June 29, 1999 | Version v1
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Mathematical study of mixing models

Description

This report presents the construction and the study of a class of models that describe the behavior of compressible and non-reactive Eulerian fluid mixtures. Mixture models can have two different applications. Either they are used to describe physical mixtures, in the case of a true zone of extensive mixing (but then this modelization is incomplete and must be considered only as a point of departure for the elaboration of models of mixtures actually relevant). Either they are used to solve the problem of the numerical mixture. This problem appears during the discretization of an interface which separates fluids having laws of different state: the zone of numerical mixing is the set of meshes which cover the interface. The attention is focused on numerical mixtures, for which the hypothesis of non-miscibility (physics) will bring two equations (the sixth and the eighth of the system). It is important to emphasize that even in the case of the only numerical mixture, the presence in one and same place (same mesh) of several fluids have to be taken into account. This will be formalized by the possibility for mass fractions to take all values between 0 and 1. This is not at odds with the equations that derive from the hypothesis of non-miscibility. One way of looking at things is to consider that there are two scales of observation: the physical scale at which one observes the separation of fluids, and the numerical scale, given by the fineness of the mesh, to which a mixture appears. In this work, mixtures are considered from the mathematical angle (both in the elaboration phase and during their study). In particular, Chapter 5 shows a result of model degeneration for a non-extended mixing zone (case of an interface): this justifies the use of models in the case of numerical mixing. All these models are based on the classical model of non-viscous compressible fluids recalled in Chapter 2. In Chapter 3, the central point of the elaboration of the class of models is considered: the postulate of the existence of a temperature and of an entropy for the global fluid, verifying an equation identical to that of the classical model. From this equation will be derived a whole class of models (chapter 4), while developing a thermodynamic for several-temperature systems. Chapter 5 presents the already mentioned degeneration. Chapter 6 examines the mathematical properties of the models of the class. A large number of models having good properties, it is not possible to make a choice for now, and it will be necessary to wait for numerical results to determine the best options

Abstract (French)

Dans ce travail, nous construisons et etudions une classe de modeles qui decrivent le comportement des melanges fluides euleriens compressibles et non reactifs. Les modeles de melange peuvent avoir deux applications differentes. Soit ils sont utilises pour decrire des melanges physiques, dans le cas d'une vraie zone de melange etendue (mais alors notre modelisation est incomplete et doit n'etre consideree que comme un point de depart pour l'elaboration de modeles de melanges reellement pertinents). Soit ils sont utilises pour resoudre le probleme du melange numerique. Ce probleme apparait lors de la discretisation d'une interface qui separe des fluides ayant des lois d'etat differentes: la zone de melange numerique est l'ensemble des mailles qui recouvrent l'interface. Notre attention sera essentiellement portee sur les melanges numeriques, pour lesquels l'hypothese de non-miscibilite (physique) apportera deux equations (la sixieme et la huitieme du systeme). Il est important de souligner que meme dans le cas du melange seulement numerique, nous aurons a prendre en compte la presence en un meme lieu (en une meme maille) de plusieurs fluides. Ceci sera formalise par la possibilite pour les fractions massiques de prendre toutes les valeurs comprises entre 0 et 1. Ce n'est pas en contradiction avec les equations qui decoulent de l'hypothese de non-miscibilite. Une maniere de voir les choses est de considerer qu'il y a deux echelles d'observation: l'echelle physique a laquelle on observe la separation des fluides, et l'echelle numerique, donnee par la finesse du maillage, a laquelle un melange apparait. Nous envisageons dans ce travail les melanges sous l'angle mathematique (aussi bien dans la phase d'elaboration que lors de leur etude). En particulier, nous montrerons au chapitre 5 un resultat de degenerescence des modeles pour une zone de melange non etendue (cas d'une interface): cela justifie l'utilisation des modeles dans le cas du melange numerique. Tous ces modeles ont pour base le modele classique des fluides compressibles non visqueux rappele au chapitre 2. Nous abordons au chapitre 3 le point central de l'elaboration de la classe de modeles: le postulat de l'existence d'une temperature et d'une entropie pour le fluide global, verifiant une equation identique a celle du modele classique. De cette equation sera derivee toute une classe de modeles (chapitre 4). Nous aurons 'au passage' construit une thermodynamique des systemes a plusieurs temperatures. Viendront ensuite le chapitre 5 et la degenerescence deja evoquee. Le chapitre 6 etudie des proprietes mathematiques des modeles de la classe. Un grand nombre de modeles ayant de bonnes proprietes, nous ne sommes pas en mesure de faire un choix pour l'instant, il faudra attendre des resultats numeriques pour determiner les meilleures options

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Original title (French)
Etude mathematique de modeles de melange

Publishing Information

Imprint Pagination
55 p.
Report number
CEA-N--2843

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Notes
17 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS website for current contact and E-mail addresses