An Explicit Model for Three-Dimensional Fluid-Structure Interaction using LBM and p-FEM
An Explicit Model for Three-Dimensional Fluid-Structure Interaction using LBM and p-FEM
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使用 LBM 和 p-FEM 的三维流固耦合显式模型
DOI：
10.1007/978-3-642-14206-2_11
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发表时间：
2010
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
D. Scholz
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
S. Geller;S. Kollmannsberger;M. El Bettah;M. Krafczyk;D. Scholz
介绍了一种用于模拟大挠度流固耦合表面相互作用的显式耦合模型。具体地说，通过格子Boltzmann方法(LBM)模拟的流体被耦合到结构的高阶有限元离散。力和速度是离散计算的，交换和施加在界面上。格子Boltzmann方法的低可压缩性允许显式耦合算法。所提出的显式耦合模型即使对于几乎不可压缩的流动也是精确的、非常有效的和稳定的。它在三个软件组件中实现：虚拟流体(流体)、特别(结构)和FSIsce(通信库)。通过将数值计算结果与实验测量结果进行比较，验证了该方法在二维空间中的有效性。本实验涉及一个淹没在不可压缩流体层流流场中的旗形结构，该结构呈现出大的、几何非线性的自激周期运动。然后将方法论扩展到三个维度。通过对管道中下落的球体的计算，首次展示了它的性能。与半解析解相比，应用数值格式得到的结果具有很好的一致性。然后将所提出的显式耦合模型推广到横流中的平板。将计算结果与商用ALE-Limited Volume-h-FEM流固耦合计算软件Ansys MultiPhysitics的计算结果进行了比较，验证了计算结果的正确性。更多的算例表明，该方法适用于(任意)大变形和大尺度问题。
An explicit coupling model for the simulation of surface coupled fluid-structure interactions with large structural deflections is introduced. Specifically, the fluid modeled via the Lattice Boltzmann Method (LBM) is coupled to a high-order Finite Element discretization of the structure. The forces and velocities are discretely computed, exchanged and applied at the interface. The low compressibility of the Lattice Boltzmann Method allows for an explicit coupling algorithm. The proposed explicit coupling model turnes out to be accurate, very efficient and stable even for nearly incompressible flows. It was implemented in three software components:VirtualFluids(fluid),AdhoC(structure) and FSIsce (a communication library). The validity of the approach is demonstrated in two dimensions by means of comparing numerical results to measurements of an experiment. This experiment involves a flag-like structure submerged in the laminar flow field of an incompressible fluid where the structure exhibits large, geometrically non-linear, self excited, periodic motions. The methodology is then extended to three dimensions. Its performance is first demonstrated via the computation of a falling sphere in a pipe. The close correspondence of the results obtained by application of the numerical scheme compared to a semi-analytic solution is demonstrated. The proposed explicit coupling model is then extended to a plate in a cross flow. We verify the results by comparing them to results obtained by application of the commercial ALE-Finite Volume—h-FEM Fluid-Structure interaction solverAnsys Multiphysics. Additional examples demonstrate the applicability of the proposed methodology to problems of (arbitrarily) large deformations and of large scale.
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发表时间：
2005
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发表时间：
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