Метод погруженных границ - Immersed boundary method

В вычислительная гидродинамика, то метод погруженных границ первоначально ссылались на подход, разработанный Чарльз Пескин в 1972 году для моделирования взаимодействия жидкости и структуры (волокна).^[1] Обработка взаимосвязи деформаций конструкции и потока жидкости создает ряд сложных проблем для численное моделирование (упругая граница изменяет течение жидкости, и жидкость одновременно перемещает упругую границу). В методе погруженной границы жидкость отображается на Эйлерова координата и структура представлена ​​на Лагранжева координата. Для Ньютоновские жидкости регулируется несжимаемым Уравнения Навье – Стокса, уравнения жидкости имеют вид

${displaystyle ho left({frac {partial {u}({x},t)}{partial {t}}}+{u}cdot abla {u}ight)=-abla p+mu ,Delta u(x,t)+f(x,t)}$

а в случае несжимаемой жидкости (в предположении постоянной плотности) выполняется условие

${displaystyle abla cdot u=0.,}$

Погруженные структуры обычно представлены как набор одномерных волокон, обозначенных ${displaystyle Gamma }$. Каждое волокно можно рассматривать как параметрическую кривую. ${displaystyle X(s,t)}$ где ${displaystyle s}$ параметр и ${displaystyle t}$ время. Физика волокна представлена ​​через распределение силы волокна ${displaystyle F(s,t)}$. В этот термин можно включить пружинные силы, сопротивление изгибу или любой другой тип поведения. Сила, оказываемая структурой на жидкость, затем интерполируется в качестве источника в уравнении импульса с использованием

${displaystyle f(x,t)=int _{Gamma }F(s,t),delta {ig (}x-X(s,t){ig )},ds,}$

где ${displaystyle delta }$ это Дирак δ функция. Принуждение может быть расширено до нескольких измерений для моделирования упругих поверхностей или трехмерных тел. Предполагая безмассовую структуру, упругое волокно движется с локальной скоростью жидкости и может быть интерполировано с помощью дельта-функции

${displaystyle {frac {partial X(s,t)}{partial t}}=u(X,t)=int _{Omega }u(x,t),delta {ig (}x-X(s,t){ig )},dx,}$

где ${displaystyle Omega }$ обозначает всю область жидкости. Дискретизация этих уравнений может быть сделана путем предположения эйлеровой сетки на жидкости и отдельной лагранжевой сетки на волокне. Аппроксимация дельта-распределения более гладкими функциями позволит нам интерполировать между двумя сетками. Любой существующий жидкостный решатель может быть связан с решателем для уравнений волокна для решения уравнений погруженных границ. Варианты этого базового подхода были применены для моделирования широкого спектра механических систем, включающих упругие конструкции, которые взаимодействуют с потоками жидкости.

С момента первоначальной разработки этого метода Пескином были разработаны различные подходы для моделирования обтекания сложных погруженных тел на сетках, которые не соответствуют поверхности тела. К ним относятся такие методы, как метод погруженного интерфейса, метод декартовой сетки, метод фантомной жидкости и метод сечения ячеек. Миттал и Яккарино^[2] называют все эти (и другие связанные) методы методами погруженных границ и предоставляют различные категории этих методов. С точки зрения реализации они делят методы погруженных границ на постоянное принуждение и дискретное принуждение методы. В первом случае к непрерывным уравнениям Навье-Стокса перед дискретизацией добавляется силовой член, тогда как во втором принуждение применяется (явно или неявно) к дискретизированным уравнениям. Согласно этой таксономии оригинальный метод Пескина является постоянное принуждение метод, в то время как методы декартовой сетки, разрезающей ячейки и метода призрачной жидкости являются дискретное принуждение методы.

Смотрите также

• Стохастический эйлеров лагранжев метод
• Стоксова динамика
• Объем жидкости методом
• Метод установки уровня
• Маркерно-клеточный метод

Программное обеспечение: Цифровые коды

• FloEFD: коммерческий код CFD IBM
• Расширенная библиотека моделирования
• MANGO-SELM: стохастические эйлеровы лагранжевые методы, П. Ацбергер, UCSB
• Стохастические методы погруженных границ в 3D, П. Ацбергер, UCSB
• Метод погруженных границ для однородных сеток в 2D, А. Фогельсон, Юта
• IBAMR: Метод погруженных границ для адаптивных сеток в 3D, Б. Гриффит, Нью-Йоркский университет.
• IB2d: Метод погруженных границ для MATLAB и Python в 2D с более чем 60 примерами, Н.А. Баттиста, TCNJ
• ESPResSo: Метод погруженных границ для мягких эластичных объектов
• CFD код IBM на основе OpenFoam
• sdfibm: Другой код CFD IBM на основе OpenFoam

Заметки

1. Пескин, Чарльз С. (1972-10-01). «Модели потока вокруг сердечных клапанов: численный метод». Журнал вычислительной физики. 10 (2): 252–271. Дои:10.1016/0021-9991(72)90065-4. ISSN  0021-9991.
2. Миттал и Яккарино 2005.

использованная литература

• Атцбергер, Пол Дж. (2011). "Стохастические эйлеровы лагранжевые методы для взаимодействия структур жидкости с тепловыми флуктуациями". Журнал вычислительной физики. 230 (8): 2821–2837. arXiv:1009.5648. Bibcode:2011JCoPh.230.2821A. Дои:10.1016 / j.jcp.2010.12.028.
• Атцбергер, Пол Дж .; Kramer, Peter R .; Пескин, Чарльз С. (2007). «Метод стохастических погруженных границ для динамики структуры жидкости в микроскопических масштабах длины». Журнал вычислительной физики. 224 (2): 1255–1292. arXiv:0910.5748. Bibcode:2007JCoPh.224.1255A. Дои:10.1016 / j.jcp.2006.11.015.
• Jindal, S .; Khalighi, B .; Johnson, J .; Чен, К. (2007), "Подход с погруженной границей CFD для сложных аэродинамических прогнозов потока", Серия технических документов SAE, Технический документ SAE, 1, Дои:10.4271/2007-01-0109.
• Ким, Чону; Ким, Донджу; Чхве, Хэчхон (2001). "Метод конечного объема с погруженной границей для моделирования течения в сложной геометрии". Журнал вычислительной физики. 171 (1): 132–150. Bibcode:2001JCoPh.171..132K. Дои:10.1006 / jcph.2001.6778.
• Миттал, Раджат; Яккарино, Джанлука (2005). «Методы погруженных границ». Ежегодный обзор гидромеханики. 37 (1): 239–261. Bibcode:2005АнРФМ..37..239М. Дои:10.1146 / annurev.fluid.37.061903.175743.
• Мория, Йоитиро; Пескин, Чарльз С. (2008). "Неявные методы погруженной границы второго порядка с граничной массой". Компьютерные методы в прикладной механике и технике. 197 (25–28): 2049–2067. Bibcode:2008CMAME.197.2049M. Дои:10.1016 / j.cma.2007.05.028.
• Пескин, Чарльз С. (2002). «Метод погруженных границ». Acta Numerica. 11: 479–517. Дои:10.1017 / S0962492902000077.
• Пескин, Чарльз С. (1977). «Численный анализ кровотока в сердце». Журнал вычислительной физики. 25 (3): 220–252. Bibcode:1977JCoPh..25..220P. Дои:10.1016/0021-9991(77)90100-0.
• Рома, Александр М .; Пескин, Чарльз С .; Бергер, Марша Дж. (1999). «Адаптивная версия метода погруженных границ». Журнал вычислительной физики. 153 (2): 509–534. Bibcode:1999JCoPh.153..509R. Дои:10.1006 / jcph.1999.6293.
• Сингх Бхалла, Амнит Пал; Бэйл, Рахул; Гриффит, Бойс Э .; Патанкар, Нилеш А. (2013). «Единая математическая база и адаптивный численный метод взаимодействия жидкости и конструкции с жесткими, деформируемыми и упругими телами». Журнал вычислительной физики. 250: 446–476. Bibcode:2013JCoPh.250..446B. Дои:10.1016 / j.jcp.2013.04.033.
• Чжу, Люодин; Пескин, Чарльз С. (2002). «Моделирование колеблющейся гибкой нити в струящейся мыльной пленке методом погруженной границы» (PDF). Журнал вычислительной физики. 179 (2): 452–468. Bibcode:2002JCoPh.179..452Z. Дои:10.1006 / jcph.2002.7066.