Verification and convergence study of a spectral-element numerical methodology for fluid-structure interaction
Verification and convergence study of a spectral-element numerical methodology for fluid-structure interaction
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流固耦合谱元数值方法的验证和收敛性研究
DOI：
10.1016/j.jcpx.2021.100084
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发表时间：
2021
影响因子：
4.1
通讯作者：
Peet, Yulia T
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Xu, YiQin;Peet, Yulia T
开发了一种用于解决强耦合流固耦合 (FSI) 问题的高阶空间谱元方法。该方法基于贴体网格上不可压缩流体方程的分区解，以及通过定点迭代方法与 Aitken 松弛耦合的非线性弹性固体变形方程。提出了所开发方法的全面验证策略，包括 h-、p- 和时间细化研究。首先分别证明相应的流体和固体求解器的预期收敛顺序，然后对耦合 FSI 问题进行自收敛研究（自收敛是指收敛到使用相同求解器以更高分辨率获得的参考解）。为此，提出了一种新的三维流固耦合基准来验证 FSI 代码，该基准由具有一个刚性壁和一个柔性壁的通道中的流体流动组成。结果表明，由于一致的问题表述（包括初始条件和边界条件），可以证明全耦合 FSI 问题的高阶空间收敛。最后，开发的框架成功应用于通道中与柔顺壁相互作用的湍流的直接数值模拟，其中流体-结构界面得到完全解析。
A high-order in space spectral-element methodology for the solution of a strongly coupled fluid-structure interaction (FSI) problem is developed. A methodology is based on a partitioned solution of incompressible fluid equations on body-fitted grids, and nonlinearly-elastic solid deformation equations coupled via a fixed-point iteration approach with Aitken relaxation. A comprehensive verification strategy of the developed methodology is presented, includingh-,p- and temporal refinement studies. An expected order of convergence is demonstrated first separately for the corresponding fluid and solid solvers, followed by a self-convergence study on a coupled FSI problem (self-convergence refers to a convergence to a reference solution obtained with the same solver at higher resolution). To this end, a new three-dimensional fluid-structure interaction benchmark is proposed for a verification of the FSI codes, which consists of a fluid flow in a channel with one rigid and one flexible wall. It is shown that, due to a consistent problem formulation, including initial and boundary conditions, a high-order spatial convergence on a fully coupled FSI problem can be demonstrated. Finally, a developed framework is applied successfully to a Direct Numerical Simulation of a turbulent flow in a channel interacting with a compliant wall, where the fluid-structure interface is fully resolved.
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