A fully-discrete mixed virtual element scheme for the unsteady Navier–Stokes equation coupled with a heat transfer equation under mixed boundary conditions
- 01.09.2025
- Verfasst von
- Zeinab Gharibi
- Mehdi Dehghan
- Erschienen in
- Calcolo | Ausgabe 3/2025
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Abstract
Dieser Artikel geht der Entwicklung und Analyse eines vollständig diskreten gemischten virtuellen Elementschemas zur Lösung der instabilen Navier-Stokes-Gleichungen in Verbindung mit einer Wärmeübertragungsgleichung unter gemischten Randbedingungen nach. Die Studie stellt Pseudostress- und Pseudowärmevektoren als zusätzliche Variablen vor, die zusammen mit den Primärvariablen Temperatur und Geschwindigkeit die Unbekannten des Problems bilden. Die Autoren wenden einen rückwärts gerichteten Euler-Ansatz zur Zeitdiskretisierung und eine Kombination virtueller und nicht-virtueller Räume zur räumlichen Diskretisierung an. Der Artikel liefert eine detaillierte Löslichkeitsanalyse mittels Festpunkttheorie und stellt für alle Variablen in ihren geeigneten Normen optimale Fehlerschätzungen auf. Numerische Experimente bestätigen die theoretischen Ergebnisse und demonstrieren die Robustheit und Genauigkeit der Methode in verschiedenen Szenarien, einschließlich der natürlichen Konvektion in konvexen und nicht konvexen Bereichen. Die Ergebnisse zeigen eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit Benchmark-Lösungen, was die Effizienz und Zuverlässigkeit des vorgeschlagenen Systems unterstreicht. Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Anwendung virtueller Elementmethoden auf komplexe Probleme der Strömungsmechanik dar und bietet ein leistungsstarkes Werkzeug für Fachleute auf diesem Gebiet.
KI-Generiert
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Abstract
This work aims to construct and analyze a virtual element method on polytopal grids to solve the fully mixed formulation of the unsteady Navier–Stokes equations coupled with the heat equation under mixed boundary conditions, commonly known as the two-dimensional nonstationary Boussinesq equations. Alongside the original thermo-fluid variables, the pseudostress and pseudoheat vector (so-called the temperature gradient) are introduced as auxiliary unknowns, driven by the growing interest in non-Newtonian flows and coupled interface problems, where stress and the thermal gradient play fundamental roles. The resulting formulation is then written equivalently as uncoupled problems thanks to a fixed-point strategy, so that the theory of differential-algebraic systems, combined with the classical Banach Theorem, is employed to establish the unique solvability of the continuous formulation. By combining the mixed virtual element approach with implicit backward Euler time integration, the problem is discretized in space-time. As a result, the proposed scheme involves nonlinear terms implicitly, and its well-posedness and stability have been established. Additionally, a convergence analysis is performed for all variables in their natural norms, demonstrating an optimal rate of convergence with respect to both the mesh size and the time step. A series of verification tests is conducted to validate the theoretical predictions and demonstrate the method’s applicability to engineering-related cases.
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- Titel
- A fully-discrete mixed virtual element scheme for the unsteady Navier–Stokes equation coupled with a heat transfer equation under mixed boundary conditions
- Verfasst von
-
Zeinab Gharibi
Mehdi Dehghan
- Publikationsdatum
- 01.09.2025
- Verlag
- Springer International Publishing
- Erschienen in
-
Calcolo / Ausgabe 3/2025
Print ISSN: 0008-0624
Elektronische ISSN: 1126-5434 - DOI
- https://doi.org/10.1007/s10092-025-00650-3
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