全部中文署名！重庆大学张良奇教授、曾忠教授最新JCP！

　　 前言

　　重庆大学 张良奇教授、 曾忠教授联合清华大学 提出了一种两相流界面传质的相场模型，并在有限体积框架内实现了该模型。 我们通过引入一致的质量通量并消除非物理耦合项，对Kou等人提出的模型进行了重构。这一重构确保了界面区域的动量守恒，并避免了溶质输运对界面演化的非物理影响。界面传质过程采用基于热力学一致相场理论的紧凑单标量模型描述，具体推导了两个Cahn-Hilliard方程分别用于描述界面动力学和全域溶质输运。随后采用有限体积法求解守恒形式的控制方程，其中对流项通过五阶WENO-Z格式进行一致处理。此外，我们精心设计了算法以强制满足体积守恒条件，将其适配于同位网格，并优化了Cahn-Hilliard方程的求解过程。该理论模型与算法设计赋予方法以下优势：（i）在不同区域同时满足亨利定律与菲克定律，避免了双标量模型的复杂性；（ii）有效防止了界面处的非物理传质现象（即数值泄漏）；（iii）即使在材料属性对比度高、亨利系数大的挑战性工况下，仍能准确预测界面演化与溶质分布。通过数值算例验证了该方法在捕捉界面动力学与溶质分布的准确性、最小化质量泄漏的有效性以及应对挑战性案例的鲁棒性，并与参考解进行了对比。最后两个涉及有无界面传质的气泡上升算例，展示了本方法在工业实践中的潜在适用性。

　　研究 成 果以“ A highly accurate and robust finite volume-based phase field method for interfacial mass transfer in two-phase flows ” 为题发表于旗舰期刊JCP 。

　　 文章小结

　　本文提出了一种用于两相流界面传质的相场模型。 我们在热力学一致的相场理论框架下，从理论上推导了控制方程，并采用有限体积法进行求解。在此过程中，我们精心设计了时空离散策略，以确保离散层面的一致性和守恒性。为提高精度与稳定性，特别是在材料属性对比度大的情况下，我们在对流通量计算中采用了五阶WENO-Z格式进行变量插值。与现有方法相比，我们的方法因其紧凑的公式描述，能够同时复现单相区域和界面区域中的被动与主动溶质输运过程，从而具有显著优势。最重要的是，该方法在预测界面动力学和溶质分布方面表现出卓越的准确性与鲁棒性。

　　通过数值算例验证了本方法的准确性、鲁棒性和适用性。在一维算例中，观察到界面处溶质分布的误差较参考结果降低了三个数量级，显示出极高的精度。此外，当采用扩散浓度初始化时，本方法的界面捕捉精度与基于四阶谱元的相场方法相当，同时保持了极低的溶质分布误差。最重要的是，即使在实际测试中，质量损失误差也始终维持在极低水平，凸显了本方法在防止数值质量泄漏方面的有效性。此外，该方法成功应用于大密度比（高达2000）、极高溶解度（高达10）和极大扩散系数差（高达1013）的案例，充分证明了其鲁棒性和适用性。

　　所提出的模型旨在应对两相流中溶质输运数值描述的挑战，并揭示其背后的物理机制，这将有助于包括电解海水制氢、基于液滴的微流控药物递送及微反应器技术等在内的工业实践。我们注意到，该方法的三维扩展对于实际应用至关重要，但目前受限于高昂的计算成本。其原因包括压力泊松方程的求解效率较低以及均匀网格分布的限制，使得三维实现尚不实用。我们正计划通过开发基于快速傅里叶变换的快速泊松求解器并采用自适应网格细化技术来解决该问题。图形处理器并行计算也可用于进一步加速三维计算，促进实际应用。此外，我们计划将该方法扩展至N相流中的M组分溶质输运，并通过引入马兰戈尼效应探究界面动力学与溶质输运之间的紧密耦合行为。