Physically consistent immersed boundary method: a framework for predicting hydrodynamic forces on particles with coarse meshes
本文提出一种物理一致的浸入边界方法（PC-IBM），通过体积过滤推导并兼容大涡模拟，在粗网格下准确预测颗粒流体动力，阻力偏差小于10%。
2024-06-07 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Composite B-Spline Regularized Delta Functions for the Immersed Boundary Method: Divergence-Free Interpolation and Gradient-Preserving Force Spreading
University of North Carolina, Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校）；University of North Carolina School of Medicine（北卡罗来纳大学医学院）
本文提出利用复合B样条导出的正则化delta函数改进浸入边界法的体积守恒，通过提供无散度插值和保梯度的力扩散消除虚假流，在保持方法局部性的同时达到与DFIB方法相当的精度。
2025-10-13 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Generalized Stress Concentration Factors for Equilibrated Forces and Stresses
作为最近的工作的续集，我们考虑广义应力集中系数，一个纯粹的几何性质的一个机构，为各种外部负载字段表示最大的最佳应力和最大的外部负载之间的最坏的比率。最佳应力集中系数与满足虚功原理的应力场有关，并且应力集中系数最小。与以前的工作不同，我们要求外部载荷平衡，应力场是对称张量场。
2004-07-27 physics.class-ph physics.flu-dyn
Immersed boundary - lattice Boltzmann method for wetting problems
本研究提出一种混合浸没边界-格子玻尔兹曼介观模型，通过引入正则化相互作用力模拟液滴与固体的浸润，无需预校准即可覆盖疏水至亲水情况，并经平衡形状与铺展动力学验证。
2025-03-27 physics.comp-ph physics.flu-dyn
An explicit and non-iterative moving-least-squares immersed-boundary method with low boundary velocity error
本文在移动最小二乘浸入边界法的基础上，提出了一种新的方法来改进体边界体积力的计算。对于几何形状简单的边界，我们从理论上分析了边界上的理想体积力与原方法给出的实际力之间的误差。两个力之间的比率非常接近于常数。数值实验表明，对于复杂的几何形状，这个比率表现出很窄的分布在一定的值。然后引入一个空间均匀系数来校正力，并通过最小二乘法在所有边界标记上固定。该方法是显式的、非迭代的，并且可以很容易地实现到现有的方案中。几个测试用例已经模拟了固定和移动边界。我们的新方法可以减少剩余边界速度的水平相比，由迭代法，但需要更少的计算时间。此外，新方法可以很容易地与迭代法相结合，并进一步降低残余边界速度。
2021-10-19 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Active nematic response to a deformable body or boundary: elastic deformations and anchoring-induced flow
本文用复变量方法解析二维活性向列相中线弹性物体的流动、指向矢、牵引力与形变，揭示活性应力和锚定条件诱导的效应及应力测量新思路。
2025-06-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Immersed Boundary Simulations of Flows Driven by Moving Thin Membranes
浸没边界法由于其计算效率和建模灵活性而被广泛用于模拟与流体相互作用的动态固体对象。然而，薄的几何形状，如壳和膜，导致违反边界条件的表面上的许多浸入式边界投影算法。使用一维解析推导和多维数值模拟，这手稿表明，调整的泊松矩阵本身是必要的，以避免大的速度，压力和力的预测误差时，跨界面的压力跳是实质性的，这些误差与雷诺数增加。为边界数据浸入法（BDIM-σ）开发了一种新的最小厚度修改，该方法避免了这些问题，同时仍然能够使用高效的投影算法进行高速浸入式表面模拟。
2021-10-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A nonlocal curve evolution for an immersed elastic filament: global existence and convergence to resistive force theory
University of Wisconsin - Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
研究非局部曲线演化模型，证明其在能量空间中的全局存在性，并展示其在ε→0时收敛到阻力理论。
2026-04-10 math.AP physics.flu-dyn
An immersed interface method for the 2D vorticity-velocity Navier-Stokes equations with multiple bodies
我们提出了一个浸入界面方法的涡速度形式的二维纳维-斯托克斯方程，直接解决的挑战所带来的多连通域，非凸障碍，并在浸入表面上的力分布的计算。浸入界面法被重新解释为一个多项式外推的流量和边界条件的障碍，减少其计算和实施的复杂性。在流动中，涡量输运方程离散使用保守的有限差分格式和显式龙格-库塔时间积分。速度重建问题转化为一个标量泊松方程，离散与保守有限差分，并使用FFT加速迭代算法求解。整个保守差分的使用导致离散开尔文定理的精确执行，这提供了模拟多连接域和流出边界的关键。该方法实现了二阶空间精度和三阶时间精度，并在内部和自由空间域的各种二维流上进行了验证。
2021-09-28 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Investigating the origins of fluctuation forces on plates immersed in turbulent flows
本研究通过模拟改变平板尺寸和雷诺数，探究均匀各向同性湍流中平行平板间涨落力的起源，发现吸引力与涡量相关且受双重机制作用。
2023-09-14 physics.flu-dyn
An Immersed Boundary Method with Direct Forcing for the Simulation of Particulate Flows
本文提出了一种改进的方法，利用固定的均匀计算网格计算不可压缩刚性悬浮颗粒的粘性绕流。主要思想是将Peskin的正则化δ函数方法[Acta Numerica 11（2002）1]纳入流固相互作用力的直接公式中，以便在欧拉和拉格朗日表示之间进行平滑转移，同时避免时间步长的强烈限制。这种技术是在有限差分和分数步的上下文中实现的。各种二维和三维模拟，从一个单一的圆柱体周围的流动，1000个球形颗粒的沉降。目前的方法的准确性和效率得到了明确的证明。
2018-09-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Unsteady drag force on an immersed sphere oscillating near a wall
本文结合AFM实验、有限元数值模拟与渐近理论，研究近壁振荡球体的非定常阻力，揭示其共振频率偏移随Womersley数由正转负及有效质量的变化规律。
2023-07-12 cond-mat.soft physics.class-ph physics.flu-dyn
Drag and lift forces on a rigid sphere immersed in a wall-bounded linear shear flow
我们报告了一系列的完全解决的模拟流动的刚性球附近的墙，无论是在静止的流体或在存在均匀的剪切稳定地翻译。非旋转和自由旋转的领域受到无扭矩的条件都被认为是评估自旋诱导效应的重要性。球体和壁之间的分离距离从壁影响较弱的值变化到球体半径一半的间隙。基于球体直径和相对于周围流体的相对速度的雷诺数跨越范围$0.1-250$，并且定义为穿过球体的剪切引起的速度变化与相对速度的比率的相对剪切速率从$-0.5$变化到$+0.5$，所以球体要么领先流体要么落后于流体。壁-通过研究流动结构，特别是展向和流向涡量分布，定性地分析了在各种流态中起作用的诱导相互作用机制。阻力和升力的变化在低，但有限的和中等雷诺数进行了比较，可用的解析和半经验表达式，分别。在更多的惯性制度，两个力分量的经验表达式推导出的数值数据的基础上，产生准确的拟合有效的范围很广的雷诺数和壁球分离的非旋转和无扭矩的领域。
2021-08-16 physics.flu-dyn
A fully pressure-velocity coupled immersed boundary method based on the Lagrange multiplier approach
本文提出了一种新的浸入边界法，它便于精确模拟浸入体周围的不可压缩等温和自然对流流动，并可应用于流动的精确线性稳定性分析。该方法是基于完全压力-速度耦合的方法，隐式地满足发散自由速度约束，而不需要额外的投影校正步骤，这是一个显着的优势的计算效率。该方法将压力，边界力和热源作为拉格朗日乘子，从而隐式地提供了无滑移的运动约束和相应的热浸没表面的边界条件。广泛的验证开发的等温和自然对流流动的方法。
2015-12-16 physics.flu-dyn
An Eulerian-based immersed boundary method for particle suspensions with implicit lubrication model
我们描述了一种浸入边界方法，其中的流固耦合是在欧拉框架中实现的。该方法是最初由Kajishima等人[1]开发的浸入边界法的改进扩展，该方法考虑了颗粒体积内虚拟流体的惯性，因此能够再现中性浮力物体以及颗粒与流体之间存在密度差的情况下颗粒的行为。该方法能够处理多个悬浮物体的存在，即，通过包括软球法向碰撞模型，而通常添加到类似的浸入边界方法中以捕获子网格未分辨的润滑力的润滑校正在这里被隐含地处理，即，自然地获得，而没有任何显式表达式，因此不需要额外的计算。我们表明，我们的方法可以成功地再现在剪切流的颗粒悬浮液的流变学的致密制度（最大颗粒体积分数约46%），而无需任何额外的校正力。这种方法的适用性也进行了测试，在湍流压力驱动的管道流在高雷诺数的存在下，不可忽略的惯性和非均匀的剪切速率，与实验测量结果显示出良好的一致性。
2022-01-11 physics.flu-dyn
The dynamics of an externally driven nanoscale beam that is under high tension and immersed in a viscous fluid
我们探讨了一个纳米级的双夹紧梁，是在高张力下，沉浸在粘性流体，并在外部驱动的空间变化的驱动力的动力学。我们开发了一个理论描述，是有效的所有可能的值的张力，包括运动的高次模式的梁，并占一个谐波力，施加在一个有限的空间区域的梁附近的两端。我们比较我们的理论预测与实验测量的纳米级光束，驱动电热和浸没在空气和水中。理论预测与实验吻合良好，证明了简化弦近似的有效性。
2022-07-21 cond-mat.mes-hall physics.flu-dyn
Fully resolved simulation of dense suspensions of freely evolving buoyant particles using an improved immersed boundary method
完全解析模拟具有浮力颗粒的流动是一个具有挑战性的问题，因为浮力颗粒比周围的流体轻，因此，两相强烈耦合在一起。在这项工作中，由Schwarz等人[Schwarz，S.，Kempe，T.，& Fröhlich，J.（2015）.用浸入边界法计算粘性流中轻粒子运动的时间离散格式。J. Comput.物理、281，591-613]扩展到模拟具有高体积分数（高达$40 \%$）的浮力颗粒悬浮液。结果表明，虚拟力技术中的无量纲数值模型常数$C_v$应随体积分数的增大而增大。研究了单个上升颗粒、两个直线上升颗粒和悬浮颗粒的运动特性。在每种情况下，结果进行了比较与实验工作的气泡流，以突出浮力颗粒和气泡之间的差异和相似之处。最后，从不同体积分数的浮力颗粒悬浮液的模拟中提取阻力系数，并在此基础上提出了阻力关联式。
2020-08-04 physics.flu-dyn
Hydrodynamic origin of Korteweg stresses from shear-induced horizontal buoyancy
University of Manchester（曼彻斯特大学）
本文证明窄通道非Boussinesq流体中深度平均Navier-Stokes方程出现的剪切诱导水平浮力等价于Korteweg应力张量的散度，该应力源于自耦合输运，并依赖于Prandtl数和Grashof数。
2026-07-28 physics.flu-dyn
A Discrete Immersed Boundary Method for the numerical simulation of heat transfer in compressible flows
本文提出了一种离散强迫浸没边界法（IBM）来数值模拟包含热交换的高速流动问题。流场由可压缩纳维-斯托克斯方程控制，该方程通过使用开源库OpenFOAM求解。数值求解器被修改，包括源项的动量方程和能量方程，占浸没体的存在。该方法是验证一些基准测试案例处理强制对流问题和移动浸没机构。所得结果与文献中提供的数据非常吻合。通过研究不同壁温的加热球的三维高马赫绕流，进一步评估了该方法。即使对于这种更复杂的测试情况下，该方法提供了一个准确的热场和速度场的表示。
2023-01-23 physics.flu-dyn
A DLM immersed boundary method based wave-structure interaction solver for high density ratio multiphase flows
我们提出了一个强大的浸没边界（IB）的高密度比多相流，能够模拟复杂的波浪结构相互作用（WSI）在海洋和海岸工程应用中出现的问题的方法。IB/WSI方法通过将Sharma和Patankar（J Comp Phys，2005）的分布式拉格朗日乘子（DLM）方法与基于多相流求解器的鲁棒水平集方法相结合来实现。流体求解器使用混合预处理器集成了变系数不可压缩纳维-斯托克斯方程的保守形式，并确保在离散水平上质量和动量的一致传输。一致的运输计划保留了数值稳定性的方法中发现的问题，涉及空气，水，和浸没结构中的大密度比的存在。空气-水界面由水平集方法在欧拉网格上捕获，而自由表面穿透浸没结构在拉格朗日网格上表示。流体-结构相互作用（FSI）耦合通过Peskin的正则化δ函数以隐式方式介导，这避免了在浸没结构的复杂表面上集成流体动力应力张量的需要。IB/WSI数值格式在自适应网格加密（AMR）框架内实现，其中拉格朗日结构和空气-水界面被嵌入到最精细的网格水平上，以捕捉薄边界层和由WSI引起的涡结构。我们使用一个平衡良好的力离散重力，消除虚假的速度电流在流体静力学的限制，由于密度变化的三个阶段（空气，水和固体）。提出了一种有效的数值波浪水槽造波和消波技术，并用于模拟水下结构物引起的水波畸变的基准案例。
2019-09-01 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Coupling-Aware Vanka Smoothing for Multigrid Preconditioning of the Implicit Immersed Boundary Equations
Fordham University（福特汉姆大学）；University of North Carolina at Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校）
本文提出耦合感知万卡光滑化策略，实现隐式浸入边界方程的有效多重网格预处理，经测试其收敛效率高且网格适应性好，是首个适用于时变隐式IB公式的鲁棒多重网格策略。
2026-08-17 cs.NA math.NA physics.comp-ph
A Pressure-Robust Immersed Interface Method for Discrete Surfaces
Department of Mathematics, University of North Carolina, Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校数学系）；Department of Biomedical Engineering, University of North Carolina, Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校生物医学工程系）；Carolina Center for Interdisciplinary Applied Mathematics, University of North Carolina, Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校卡罗莱纳跨学科应用数学中心）；Computational Medicine Program, University of North Carolina School of Medicine, Chapel Hill（北卡罗来纳大学医学院计算医学项目）；McAllister Heart Institute, University of North Carolina School of Medicine, Chapel Hill（北卡罗来纳大学医学院麦克阿利斯特的心脏研究所）
本文提出了一种改进的浸没界面方法，通过连续法向量近似提高压力载荷的计算精度，减少泄漏问题。
2026-03-07 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Gaussian-Like Immersed Boundary Kernels with Three Continuous Derivatives and Improved Translational Invariance
浸没边界法是研究流体-结构相互作用问题的一种通用数学框架，其中弹性结构浸没在粘性不可压缩流体中。在IB公式中，欧拉变量描述的流体通过使用狄拉克δ函数与拉格朗日变量描述的浸没结构耦合。从数值的角度来看，拉格朗日力传播和欧拉速度插值进行了正则化，compensated支持离散δ函数，这是假定为一个张量积的单变量浸入边界内核。IB核是从一组旨在实现近似网格平移不变性、插值精度和计算效率的假设导出的。在这篇文章中，我们提出了新的5点和6点浸入边界核，它们是$\mathscr{C}^3$，与其他常见的IB核相比，它们产生了显著改善的平移不变性。
2020-09-29 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Beyond first-order accuracy in continuous-forcing immersed boundary methods, and their well-conditioned projection-based solution
California Institute of Technology（加州理工学院）；University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
本文提出一种改进的浸入边界方法，实现优于一阶精度的准确性，同时保留连续力方法的关键特性。通过平滑指示函数重构解为内外场的组合，系统提升精度并减少对几何分辨率的依赖。
2026-04-30 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Complex Dynamics of an Acoustically Levitated Fluid Droplet Captured by a Low-Order Immersed Boundary Method
提出一种结合声学微扰理论的混合浸入式边界方法，半解析求解声学散射并建模时间平均声学力，实现了驻波中声悬浮液滴动力学的高效模拟，并揭示了椭圆形液滴的流型新见解。
2024-03-20 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Forces on Bins - The Effect of Random Friction
在本说明中，我们重新审视经典的杨森理论的应力箱，包括随机的摩擦系数。Janssen分析依赖于在实践中不满足的假设;出于这个原因，我们用数值方法求解了表示仓中动量平衡的偏微分方程，再次包括摩擦的随机性。
1997-11-19 cond-mat.mtrl-sci physics.flu-dyn
A nematic liquid crystal with an immersed body: equilibrium, stress, and paradox
本文研究二维含浸入物体的向列相液晶平衡问题，利用复变量和有效边界技术求解强弱锚定下的构型、应力及缺陷位置，并揭示其与流体动力学经典佯谬的类比。
2023-01-26 cond-mat.soft physics.flu-dyn
A model predictive control (MPC)-integrated multiphase immersed boundary (IB) framework for simulating wave energy converters (WECs)
在这项工作中，我们提出了一种新的MPC集成的多相IB框架，可以计算最佳的能量最大化控制力的飞行动态交互与高保真数值波槽（NWT）。由于在IB模拟的每个时间步处求解约束优化问题的要求，MPC算法利用基于线性势理论（LPT）的器件的低维动态模型。另一方面，多相IB求解器基于高维虚拟域Brinkman惩罚（FD/BP）方法，该方法完全解决了与波浪-结构物相互作用（WSI）相关的流体动力学非线性。实施时间序列预测自回归模型，其预测波高以估计用于MPC算法的未来波激励/弗劳德-克雷洛夫力。此外，我们还实验与非线性弗劳德-克雷洛夫（NLFK）力的第一次在MPC制定。在不同的海洋条件下，MPC集成多相IB求解器的预测进行比较，广泛流行的LPT为基础的求解器。总体而言，六个WSI/MPC求解器组合进行了比较，为垂荡垂直圆柱。我们还确定了从波浪到动力输出（PTO）系统的能量传递路径，并使用IB模拟验证了这些关系。此外，三个不同的海况模拟内的IB模拟，以测试MPC的WEC的自适应能力。MPC被证明能够适应不断变化的海况，并为每个海况找到最佳解决方案。
2022-06-15 cs.NA math.NA math.OC
