The one-dimensional (1D) two-fluid model (TFM) for stratified flow in channels and pipes suffers from an ill-posedness issue: it is only conditionally well-posed. This results in severe linear instability for perturbations of vanishing wavelength, and non-convergence of numerical solutions. This issue is typically only examined from the perspective of linear stability analysis. In order to analyze this long-standing problem from a nonlinear perspective, we show the novel result that the TFM (in its incompressible, isothermal form) satisfies an energy conservation equation, which arises naturally from the mass and momentum conservation equations that constitute the TFM. This result extends upon earlier work on the shallow water equations (SWE), with the important difference that we include non-conservative pressure terms in the analysis, and that we propose a formulation that holds for ducts with an arbitrary cross-sectional shape, with the 2D channel and circular pipe geometries as special cases. The second result of this work is a new finite volume scheme for the TFM that satisfies a discrete form of the continuous energy equation. This discretization is derived in a manner that runs parallel to the continuous analysis. Due to the non-conservative pressure terms it is essential to employ a staggered grid, and this distinguishes the discretization from existing energy-conserving discretizations of the SWE. Numerical simulations confirm that the discrete energy is conserved.


翻译:用于管道和管道中分流流流的一维(1D)双流流模型(TFM)存在一个不正确的问题:它只是有条件的,只有有条件的。这导致浅水方程式(SWE)的早期工作出现严重的线性不稳定,在分析中包括非保守压力条件的重要差异,我们提出一种配方,用任意的跨剖面形状,以2D频道和循环管道的调味品为特例,用2D频道和循环管道的调味品来分析这一长期问题。这项工作的第二个结果是,TFM的新的有限量方案,它从构成TFM(TFM)的质量与节能方程式中自然产生。这一结果延续到浅水方方程式(SWE)的早期工作,在分析中包括了非保守压力压力方程式,这是从连续的能源方程式到连续的连续的能源方程式。

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