Development of an energy conservative accurate particle method for fluid-structure interaction problems

针对流固耦合问题的能量守恒精确粒子方法的开发

基本信息

批准号：
21K14250
负责人：
清水裕真
金额：
$ 3万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14250/
关键词：
粒子法 FSI ISPH法数値シミュレーションエネルギー保存性計算力学 SPH

项目摘要

本研究では，エネルギー保存性の高い高精度粒子法型流体-構造連成解析手法の構築に取り組むが，その実現のために必要な4つの課題の内，本年度は，①流体・構造体の精度・エネルギー保存性向上のための高次微分演算子モデルの導入，②整合性の高い時間的連成のためのエネルギー保存性の高い陰的構造体モデルの開発，④構造体大変形解析のためのエネルギー保存性を満たす計算安定化項の開発，について取り組んだ．①について，昨年度の成果にてTaylor級数展開に基づく高次の微分演算子モデルを導出し，粒子法型高次精度構造体モデルを構築したが，本年度ではその検証を追加のベンチマークテストを通してさらに詳細に行うとともに，流体モデルについても同モデルを導入して粒子法型高次精度流体モデルを構築した．得られた計算結果から，提案高次モデルで既往モデルと比べ優れた計算精度と収束性を得ることができた．②について，昨年度の成果にて予測子修正子法を参考にした高精度陰的弾性体モデルを構築したが，本年度はこの時間法を更に高度化した．具体的には，昨年度のモデル，3回の繰り返し計算を実施して時間更新するアルゴリズムを，厳密な収束基準を設け収束するまで反復計算を繰り返すよう修正した．本修正により，時間発展の過程でより厳密な解がえられ，より改善された安定性と計算精度が得られた．④について，計算安定性のさらなる向上のため，粒子法型構造体モデルにて広く採用される人工斥力項を参考に安定化項の開発・導入を行った．本研究で開発した安定化項は新たに定義される誤差エネルギーポテンシャルの空間微分より導かれ，誤差エネルギーを含む総エネルギーが保存される．モデルは陰的時間発展に適合する形で構成され，保存性を害さない形で導入が可能であり，検証過程で安定化効果を持つことが示された．これらの成果は国際学術誌へ掲載された他，国際会議にて発表を実施した．

在这项研究中，我们将致力于建造具有高能量保护的高精度颗粒型流体结构耦合分析方法。在实现这一目标所需的四个问题中，今年我们致力于1）引入高阶差异操作员模型，以提高流体和结构的准确性和能源保护，2）开发具有高能量保护的隐式结构模型，用于高能量的时间耦合，4）开发一个计算稳定术语，以满足结构分析的大型化型适应能源保护。关于①，我们基于泰勒系列扩展，得出了一个高阶差异操作员模型，并构建了粒子 - 方法高精度结构模型。在今年，我们通过其他基准测试进行了进一步的详细验证，我们还为流体模型引入了相同的模型，以构建粒子方法高精度流体模型。从获得的计算结果中，与以前的模型相比，提出的高阶模型能够获得卓越的计算准确性和收敛性。关于②，我们使用预测变体方法作为参考构建了高精度隐式弹性身体模型，今年我们将进一步完善了此时间方法。具体而言，去年的模型，执行三个迭代计算和更新时间的算法已修改以设置严格的收敛标准并重复迭代计算，直到发生收敛为止。这种修改导致在时间演化过程中实现了更精确的解决方案，从而提高了稳定性和计算精度。关于④，为了进一步提高计算稳定性，我们使用人工排斥项开发并引入了一个稳定项，该术语在粒子方法结构模型中广泛采用。这项研究中开发的稳定项源自新定义的误差能潜力的空间分化，并保留了包括误差能在内的总能量。该模型的构建方式符合隐式时间演变，并且可以以不损害保护属性的方式引入，并且已证明在验证过程中具有稳定的效果。这些结果发表在国际学术期刊上，并在国际会议上发表。