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
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 front-tracking immersed-boundary framework for simulating Lagrangian melting problems
本研究针对拉格朗日熔化问题,提出一种结合移动最小二乘浸没边界框架与Stefan条件的界面追踪数值方法,通过增量局部式动态粗化重划分及体积守恒平滑,实现高精度可扩展的熔化过程模拟。
2025-01-15 physics.flu-dyn
Using Biot-Savart boundary conditions for unbounded external flow on Eulerian meshes
本文提出基于Biot-Savart涡量积分的欧拉模拟边界条件,结合快速多层方法将计算成本降至O(N),在极小计算域内精确捕捉附加质量力、时变力和偏转尾流,显著优于经典边界条件。
2025-03-13 physics.flu-dyn
An immersed boundary method for fluid--structure--acoustics interactions involving large deformations and complex geometries
本文提出了一种求解大变形、复杂几何形状的流-固-声耦合问题的浸没边界方法。在该方法中,流体动力学采用有限差分法求解,时间项、粘性项和对流项分别采用三阶Runge-Kutta格式、四阶中心差分格式和五阶W/TENO(Weighted/Targeted Essentially Non-oscillation)格式离散。不失一般性,考虑了非线性柔性板,并采用基于绝对节点坐标的有限元法求解。采用扩散-界面罚函数IB方法,实现了流固界面处的无滑移边界条件。利用上述方法,固有地求解了由移动边界和相关联的流动产生的气动声场。为了验证和验证目前的方法,进行了几个基准案例:声波散射从一个静止的圆柱体在静止的流,由一个固定的和旋转的圆柱体在均匀的流中的声音产生,由昆虫在悬停飞行中的声音产生,红细胞的变形引起的声波和声波散射由一个静止的球体。对圆柱散射的比较表明,本文的IB-WENO格式比隐式IB-格子玻尔兹曼方法具有更好的计算性能,而且计算简单。对于球体散射的声散射问题,与IB-WENO格式相比,IB-TENO格式具有更低的耗散。该技术的应用,以模拟流体-结构-声学相互作用的扑翼模仿昆虫的翅膀部分在向前飞行和扑翼能量采集器,考虑到翼型形状和灵活性的影响。
2019-05-01 physics.flu-dyn
A hybrid Lagrangian -- Eulerian flow solver applied to elastically mounted cylinders in tandem arrangement
以串列圆柱流固耦合为验证基础,建立了多域拉格朗日-欧拉混合流场求解器。在这种混合组合中,在每个实体周围定义有限宽度的单独网格,在该网格上使用有限体积近似求解欧拉流动方程。为了互连由网格定义的域,在拉格朗日坐标中描述整个流动,并且通过完全耦合模式中的粒子近似与欧拉网格内的解求解相应的方程。在圆柱体弹性支承的情况下,流动求解器也与结构动力方程强(隐式)耦合。在目前的工作中,欧拉部分解决了可压缩流方程的密度-速度-压力配方,并使用预处理在低Ma,而拉格朗日部分是基于密度-膨胀-涡度-压力配方。首先在$Re=100$上对孤立刚性圆柱体的混合求解器进行验证。然后考虑在$Re=200$处单个弹性安装的气缸的情况,接着考虑刚性或弹性安装的串联布置的两个气缸的情况。与光谱和浸入边界法产生的结果吻合良好,表明混合预测的能力。同时,通过允许网格重叠,证明了该方法在处理复杂的多体流固耦合问题时的灵活性。
2022-07-07 physics.flu-dyn
A comparative study of immersed boundary method and interpolated bounce-back scheme for no-slip boundary treatment in the lattice Boltzmann method: Part I, laminar flows
插值反弹格式和浸入边界法是格子玻尔兹曼方法中处理曲面无滑移边界的两种常用算法。虽然这些算法经常在涉及复杂几何形状的数值模拟中实现,例如颗粒负载流,但它们的性能很少在相同的上下文中对相同的局部量进行系统地比较。本文通过对四个二维和三维层流问题的理论分析和数值模拟,对几种常用和最先进的插值反弹格式和浸入边界方法进行了系统的比较研究。我们的分析表明,浸入边界法(IBM)通常会产生一阶精度时,正则化的δ函数插值速度从欧拉拉格朗日网格,并产生的边界力回到欧拉网格。这一顺序的准确性IBM观察到的本地速度和水动力/扭矩,显然不同于二阶精度有时声称在文献中。浸入边界法的另一个严重问题是扩散的流体-固体界面内的局部应力往往被显著低估。另一方面,内插反弹一般具有二阶精度的速度,水动力/扭矩,和局部应力场。内插反弹方案的主要缺点是当固体物体移动穿过网格线时,其计算的水动力/扭矩的波动水平较高。一般的指导方针也提供了必要的网格分辨率在这两种方法,以准确地模拟流过固体颗粒。
2019-06-13 physics.comp-ph physics.flu-dyn
The transport and deposition of heavy particles in complex terrain: insights from an Eulerian model for large eddy simulation
重粒子在复杂地形上的输运和沉积是许多学科的重要问题,包括沉积物和雪输运、生态学和植物病理学、风沙过程和地貌学。本文提出了一种利用大涡模拟(LES)技术模拟重粒子在复杂表面上输运和沉积的框架。浸没边界LES代码耦合欧拉粒子代码,解决对流-扩散方程的解决粒子浓度场。颗粒相的质量守恒方程离散在一个有限体积的框架内,使用笛卡尔切割细胞的方法,重塑有限体积细胞包围浸没的边界表面和准确地保存质量。提出的数值模型进行了比较,从风洞实验的重粒子沉积地形,并发现有很好的协议与观察到的沉积模式。一个LES的雪沉积在理想化的地形案例研究导致了几个新的见解。颗粒惯性导致在平均流加速区域中颗粒和流体之间的相对速度,从而增强障碍物的迎风面上的沉积并抑制背风面上的沉积。此外,它被发现,颗粒惯性的平均分量是一个因素的6或更大的比湍流分量,表明增强/抑制的沉积地形可以建模的平均流量。
2019-03-08 physics.ao-ph physics.flu-dyn
A hybrid immersed boundary method for dense particle-laden flows
提出混合浸入边界方法HyBM,通过在近颗粒或域壁处采用非对称插值/扩散支撑、其余位置保持经典对称格式,提升稠密颗粒载流模拟精度。
2023-01-31 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Binarized octree generation for Cartesian adaptive mesh refinement around immersed geometries
我们重新审视平衡八叉树的自适应网格细化(AMR)的笛卡尔域浸没复杂的几何形状的生成。在最近的一个简短的说明[Hasbestan和Senocak,J.计算。351:473-477(2017)],我们表明,由于哈希表中的潜在冲突,哈希线性八叉树生成方法中的Z阶曲线的数据局部性可能不是完美的。在此基础上,我们提出了一种完全符合Z阶曲线的二值化八叉树生成方法。与散列线性八叉树生成方法类似,我们使用Morton编码来索引八叉树的节点,但使用红黑树代替哈希表。红黑树是一种特殊的二叉树,我们使用它来插入和删除网格自适应过程中的元素。通过严格使用八叉树的按位表示,我们消除了单个处理器上适应深度的计算机硬件限制。此外,我们还介绍了一种几何编码技术,用于快速标记的立体几何细化。我们的结果与不同层次的适应几个几何形状表明,二进制八叉树生成优于线性八叉树生成的运行时性能的代价,只有轻微的增加内存使用。我们以开源软件的形式提供当前的AMR功能。
2017-12-01 cs.CE physics.comp-ph physics.flu-dyn
An immersed boundary method for solving compressible flow with arbitrarily irregular and moving geometry
在本文中,一种新的浸入边界方法的开发,验证和应用。通过设计一个二阶三步流动重建方案,所提出的方法是能够执行狄利克雷,诺依曼,罗宾,柯西边界条件,在一个简单的和一致的方式。配备了流固耦合框架,集成了高阶时间和空间离散格式,数值实验涉及流动涉及静止和运动的物体,凸和凹的几何形状,无滑移和滑移壁边界条件,以及亚音速和超音速运动进行验证的方法。结果表明,该方法可以提供有效的,准确的,和强大的边界处理解决流动与任意不规则和运动的几何形状在笛卡尔网格。
2018-04-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Improving the robustness of the immersed interface method through regularized velocity reconstruction
针对流固耦合算法的鲁棒性挑战,提出基于Tikhonov正则化的稳定化速度限制算子,放宽浸入界面方法(IIM)的网格因子比约束,支持更广泛的网格尺寸比,提升其在复杂几何三维建模中的适用性。
2025-11-12 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Learning Fluid-Structure Interaction with Physics-Informed Machine Learning and Immersed Boundary Methods
Computational Science and Engineering Department, Informatics Institute Istanbul Technical University(信息学院伊斯坦布尔技术大学计算科学与工程系);Scientific Computing, Rutherford Appleton Laboratory Science and Technology Facilities Council (STFC)(科学与技术设施理事会(STFC)科学计算部)
本文提出一种结合物理信息机器学习和浸没边界方法的欧拉-拉格朗日架构,用于更准确地建模流体-结构相互作用问题。
2025-12-03 cs.CE cs.LG 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
Eulerian method for multiphase interactions of soft solid bodies in fluids
我们介绍了一个欧拉方法的问题,涉及一个或多个软固体浸没在流体中,它允许所有阶段之间的机械相互作用。利用参考映射变量在与流体相相同的固定网格上模拟固体中的有限变形本构关系,这大大简化了相之间的耦合。我们的耦合过程,在目前的工作中的一个关键贡献,被证明是计算速度更快,更稳定的比以前的方法,并承认有能力模拟流体-固体和固体-固体之间的相互作用淹没机构。通过多个弱可压缩Navier-Stokes流体与neo-Hookean固体相互作用的算例,验证了该方法的收敛性。固体接触法,利用距离措施已经存在的网格上,演示了两个例子。介绍了一种新的跨界面外推的通用程序,并将其用作新界面处理的一部分。
2015-12-08 physics.comp-ph physics.flu-dyn
An Immersed Interface Method for Incompressible Flows and Near Contact
University of North Carolina, Chapel Hill(北卡罗来纳大学教堂山分校)
本文提出改进的浸入界面法,用于模拟紧密排列浸入边界间不可压缩流体流动,通过双线性速度插值算子提升界面和欧拉速度精度,无需先知界面方向或几何信息。
2026-03-15 math-ph math.MP physics.flu-dyn
A sharp interface Lagrangian-Eulerian method for flexible-body fluid-structure interaction
本文提出一种用于柔性体流固耦合的锐界面浸入式拉格朗日-欧拉方法,结合IB方法灵活性与贴体方法精度,采用Dirichlet-Neumann耦合和惩罚法处理流固子问题,支持多速率时间步进,在基准测试和血栓捕获模拟中验证了其有效性。
2023-01-29 cs.NA math-ph math.MP
An improved fully one-sided diffuse-interface immersed boundary method with target-value reconstruction for compressible flows
Aix-Marseille Univ, CNRS, Centrale Med, M2P2(艾克斯-马赛大学,法国国家科学研究中心,中央理工学院马赛分校,M2P2)
研究可压缩流中扩散界面浸入边界方法,分析单侧扩展算子使有效边界位移,开发目标值重构策略并纳入FODIBM,结合混合格子玻尔兹曼求解器,降低误差范数,提升边界条件执行效果,实现复杂几何形状可压缩流的准确高效模拟。
2026-07-09 physics.flu-dyn
Simulating water-entry/exit problems using Eulerian-Lagrangian and fully-Eulerian fictitious domain methods within the open-source IBAMR library
在本文中,我们采用两种实现的虚拟域(FD)的方法来模拟入水和出水问题,并证明他们的能力,以模拟实际的海洋工程问题。在FD方法中,流体动量方程在固体域内使用附加的体积力来扩展,该体积力将结构速度约束为刚体速度。使用此公式,在整个计算域上求解单个方程组。约束力的计算有两种不同的方法:一种是使用浸没边界(IB)方法的欧拉-拉格朗日框架,另一种是使用布林克曼惩罚(BP)方法的完全欧拉方法。两种FSI策略都使用相同的多相流算法,该算法以保守形式求解离散不可压缩Navier-Stokes系统。采用一致的输运格式来对流质量和动量,保证了海洋工程实际应用中高密度比多相流的数值稳定性。对自由下落的楔形体(直的和倾斜的)和圆柱体的例子进行了模拟,并将数值结果与文献中的基准情况进行了比较。
2019-07-03 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
High-order immersed boundary method for subsonic aeroacoustics and compressible Navier-Stokes equationsHigh-order immersed boundary method for subsonic aeroacoustics and compressible Navier-Stokes equations
Institut PPRIME, CNRS-Université de Poitiers-ENSMA(普里梅研究所,法国国家科学研究中心-普瓦捷大学-国立高等航空航天学院)
本文提出一种基于高阶格式和鬼点法的新型离散鬼点浸没边界方法,用于求解亚声速气动声学和可压缩Navier-Stokes方程,并通过圆柱绕流等算例验证了其有效性。
2026-09-22 physics.flu-dyn
A Cartesian-octree adaptive front-tracking solver for immersed biological capsules in large complex domains
我们提出了一个开源的自适应前沿跟踪求解器的生物胶囊在粘性流。膜的弹性和弯曲力的拉格朗日三角形上使用线性有限元法和抛物面拟合方法来解决。使用开源平台Basilisk在八叉树自适应网格上求解流体流动。拉格朗日网格和欧拉网格通过Peskin正则化狄拉克δ函数使用浸没边界方法进行通信。我们证明了我们的求解器的准确性与广泛的验证:在斯托克斯条件下对边界积分法,并在存在惯性对类似的(但不是自适应的)前跟踪求解器。优秀的定性和定量协议。然后,我们证明了本求解器在极端膜变形的具有挑战性的情况下的鲁棒性,并说明了其模拟复杂STL定义的几何形状中的惯性胶囊负载流的能力,为具有大型三维通道结构的生物工程应用打开了大门。本文提供的源代码和所有测试用例都是免费提供的。
2022-11-28 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A fully Eulerian solver for the simulation of multiphase flows with solid bodies: application to surface gravity waves
本文提出了一种用于多相流研究的全欧拉解算器,用于模拟表面重力波在潜体上的传播。本文采用流体体积法求解不可压纳维-斯托克斯方程,用浸没体法求解固体,用强耦合迭代法求解流固耦合。通过泊松方程的解来强制流体的不可压缩性,由于液相界面上的密度跳跃,泊松方程必须采用Dodd & Ferrante的分裂程序[12]。求解器通过与经典的流体-结构相互作用的测试用例进行比较来验证,如压力驱动通道中的颗粒迁移,多相流,圆柱体的水出口,并且所有测试都具有良好的一致性。此外,我们显示的情况下,表面重力波传播的求解器的应用程序,并验证了求解器可以重现波和钟摆之间的能量交换。最后,考虑了水下球体诱导波浪的三维溢出破碎问题。
2020-06-09 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Implementation of Immersed Boundaries via Volume Penalization in the Industrial Aeronautical Computational Fluid Dynamics Solver CODA
本研究在工业航空CFD求解器CODA中实现浸入边界体积惩罚法,开发自适应网格预处理工具,通过多类翼型及飞机算例验证,证明其高效准确,可用于工业航空应用。
2025-01-07 physics.flu-dyn
Simulating incompressible flows over complex geometries using the shifted boundary method with incomplete adaptive octree meshes
本研究将移位边界法(SBM)扩展至浸入式八叉树网格场景,通过构建高效的最优近似代理边界,实现了无需边界拟合网格的复杂几何不可压缩流动模拟,经基准测试验证该方法鲁棒、准确且高效。
2024-12-11 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Geometric model of the fracture as a manifold immersed in porous media
本文提出裂缝作为浸入多孔介质中的流形几何模型,耦合达西与福希海默方程,推导低维约化模型并证明其与原模型解接近,适用于复杂几何长薄裂缝的大规模模拟。
2019-05-18 math.AP math.DG math.OC
A voxelized immersed boundary (VIB) finite element method for accurate and efficient blood flow simulation
针对复杂血管内血流模拟,提出结合IPCS有限元求解器与BCE-IB的体素化浸入边界方法,验证表明其精度高、适用性强且额外开销不超过5%。
2023-07-18 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 Non-staggered Projection Algorithm for Two-Phase Fluid-Structure Interaction Simulation Using the Phase-Field/Immersed-Boundary Method
本文提出一种基于非交错笛卡尔网格的无压力振荡投影算法,通过改进的五步增量压力修正算法解耦不可压缩Navier-Stokes方程,并结合Cahn-Hilliard方程与动量加权插值方案,实现大密度比多相流固耦合的高精度模拟。
2024-04-23 physics.app-ph physics.flu-dyn
A simple and efficient second-order immersed-boundary method for the incompressible Navier--Stokes equations
本研究提出一种求解不可压缩Navier–Stokes方程的二阶隐式浸入边界法,通过离散强迫实现固液界面清晰区分,仅需修改动量方程拉普拉斯模板中心点权重,经简单问题、二维层流、正弦壁通道湍流及人体鼻腔流实验验证,兼具高精度、简单性与高效性。
2025-06-17 physics.flu-dyn
A fast immersed boundary method for an extruded wall geometry
针对边界条件强制浸入边界法(IBM)校正算子计算成本高的问题,提出一种利用几何对称性简化矩阵运算的拉伸壁面几何快速IBM算法,在保持精度的同时将整体计算效率提升高达160倍。
2024-03-22 physics.flu-dyn
Validation of an immersed boundary method for compressible flows
本文总结了可压缩流动数值模拟中浸入边界法的一些最新验证结果。已经表明,该方法能够提供准确的结果,而无需围绕或多或少复杂的几何形状进行网格划分。在这里,作者重点介绍了几个简单的测试案例,以评估该方法的应用范围。从亚音速到高超音速流动,从定常到大涡非定常模拟,在二维或三维,结果与经典的模拟与贴体网格和实验进行了比较。此外,在所有情况下使用有效的Navier-Stokes求解器是该方法的优点之一,可以在更短的时间内提供CFD解。
2019-02-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A Boundary Thickening-based Direct Forcing Immersed Boundary Method for Fully Resolved Simulation of Particle-laden Flows
提出了一种基于边界增厚的直接强迫(BTDF)浸没边界(IB)方法,用于有限尺寸颗粒不可压粘性流动的全分辨模拟。通过稍微加厚边界厚度,固体边界上的拉格朗日点与其相邻的流体欧拉网格之间的局部通信得到改善,基于隐式直接强迫(IDF)方法和正则化δ函数的单位分割条件。这种策略产生了一个简单的,但更好地施加无滑移和无渗透的边界条件比传统的直接强迫(DF)技术。特别是,该BTDF方法可以达到与其他代表性的改进方法,如多直接强迫(multi-direct forcing,简称DF)、隐式速度校正(implicit velocity correction,简称IVC)和再生核粒子方法(reproducing kernel particle method,简称RKPM)相媲美的数值精度,而其计算成本却保持得很低,与传统DF方法几乎相当。还揭示了边界增厚的最佳厚度值对正则化δ函数形式的依赖性。通过将格子玻尔兹曼方法(LBM)与BTDF-IB耦合,对圆柱绕流的爬行流动(Re=0.1)、定常旋涡分离流动(Re=40)和非定常旋涡脱落流动(Re=200)进行了数值模拟,验证了BTDF-IB方法的鲁棒性。
2018-06-25 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Benchmarking the Immersed Boundary Method for Viscoelastic Flows
本文通过二维算例和流变实验,对浸入边界法在Oldroyd-B和Rolie-Poly粘弹性流动中的精度与收敛性进行基准测试,并与有限元、有限体积法比较,给出正则化delta函数和拉格朗日网格间距的推荐选择。
2024-01-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Immersed boundary finite element method for blood flow simulation
提出了一种高效、精确的数值求解不可压Navier-Stokes方程的浸入边界有限元方法。特别强调具有复杂几何形状的内部流动(血管系统中的血流)。IB方法对于内部流计算成本高,主要是由于大百分比的网格点位于流域之外。在这项研究中,我们采用了局部细化策略,随着域减少的方法,以减少网格,覆盖流域和增加的百分比,落在流域内的网格节点。所提出的方法利用一个高效和准确的有限元求解器与增量压力校正方案(IPCS),以及边界条件强制IB方法数值求解瞬态,不可压缩的Navier-Stokes流方程。我们验证了数值方法的准确性,使用的解析解的Poiquillille流在一个圆柱。我们进一步研究所提出的方法的准确性和适用性,通过考虑复杂的几何形状,如血管和主动脉中的血流,否则将非常难以解决的大多数IB方法的流动配置。我们的方法提供了高精度,如验证示例所示,和高效率,如通过在现成的膝上计算机上的复杂几何形状内的血流的解决方案所示。
2020-07-04 cs.CE physics.flu-dyn
A fully one-sided diffuse-interface immersed boundary method for wall-modeled large-eddy simulation
Aix-Marseille Univ, CNRS, Centrale Med, M2P2(艾克斯-马赛大学);Department of Aeronautics and Astronautics, The University of Tokyo(东京大学航空航天工程系)
研究针对扩散界面浸入边界方法在壁面模型大涡模拟中存在的问题,开发全单侧扩散界面浸入边界方法,通过特定策略消除跨边界扩散效应,经多方面验证,该方法提高了预测精度,尤其在低参考高度时,且在翼型湍流流动评估中表现良好。
2026-07-09 physics.flu-dyn
Mesh Adaptation on Hybrid Unstructured Meshes for Immersed Boundary Methods
School of Aeronautics, Universidad Politécnica de Madrid(马德里理工大学航空学院);Center for Computational Simulation, Universidad Politécnica de Madrid(马德里理工大学计算模拟中心)
本研究开发了一种用于混合非结构网格的新型预处理工具,可对浸入几何周围的网格加密,通过圆柱、NACA0012翼型及多段翼型的流动模拟验证,结果与实验数据吻合良好,实现了准确高效的流动模拟。
2026-07-31 physics.flu-dyn
The divergence-conforming immersed boundary method: Application to vesicle and capsule dynamics
本文将最近提出的发散协调浸入边界(DCIB)方法推广到涉及闭余维1固体的流固耦合(FSI)问题。我们专注于胶囊和囊泡,由于其配方中出现的高阶衍生物,其离散化特别具有挑战性。在二维情况下,我们使用具有周期节点向量的三次B样条来获得具有C^2单元间连续性的封闭曲线的离散化。在三维设置中,我们使用适合分析的双三次T样条来获得至少具有C^1个元素间连续性的闭合曲面的离散化。封闭余维为1的固体内部流体体积的大的虚假变化是IB方法的一个众所周知的问题。DCIB方法导致体积变化的数量级低于常规IB方法。这是用发散一致的B样条离散速度-压力对的副产品,其导致在欧拉水平上可忽略的不可压缩性误差。发散一致B样条的更高的单元间连续性对于避免IB方法的求积/插值误差成为主要的离散化误差也是至关重要的。解决了囊泡和胶囊动力学的基准和应用问题,包括网格独立性研究和与其他数值方法的比较。
2020-01-22 cs.CE physics.flu-dyn
Characterization of micro-Capsules Deformation in Branching Channels
本文研究了惯性胶囊进入微流体分岔的动力学行为。流体演化的基础上的解决方案的BGK -格子玻尔兹曼计划,包括一个强制项占浸没的几何形状。动态浸没边界强制策略被采用施加无滑移边界条件上移动的可变形或刚性结构,而在固定的浸没几何的Bouzidi-Firdaouss-Lallemand二阶反弹技术的实施。建议的计算框架详细的动力学和变形的刚性和可变形的胶囊旅行到一个分支管道。该行程的特征在于:i)取决于分支通道接合处的锐度的胶囊/分叉相互作用; ii)子分支孔径角; iii)闭塞比,胶囊尺寸与主通道直径之间的比率; iv)流动胶囊刚度; v)流动颗粒的数量。
2022-07-13 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
Topology-free immersed boundary method for incompressible turbulence flows: An aerodynamic simulation for 'dirty' CAD geometry
为了设计一种方法来解决处理“脏”和高度复杂的几何形状的问题,拓扑自由的方法结合浸没边界方法,提出了在高雷诺数的粘性和不可压缩流。该方法同时采用了鬼细胞技术和分布式强迫技术施加边界条件。在流体和固体识别过程中,使用轴投影插值方法避免搜索失败。这种方法产生一个拓扑自由浸入边界,特别适合高度复杂的几何形状的流动模拟。在为这些场景生成计算网格时通常会出现困难。该方法允许处理脏数据,而无需任何准备处理工作来简化或清理几何。该方法同样适用于本文所采用的相干结构湍流模型。与二阶中心差分方案结合使用的验证案例在较精细的分辨率下获得了一阶精度,尽管较粗糙的分辨率保留了二阶精度。这种方法是完全并行的分布式内存平台。在这项研究中,该方法的准确性和保真度进行了检查,通过模拟绕流钝体,过去的平板,过去脏球。这些模拟与实验数据和其他既定的结果进行了比较。最后,从实际应用的模拟结果表明,该方法建模高度复杂的,非规范的三维流动的能力。基于几何特征精确分类的对抗方法为解决这一问题提供了一种鲁棒、合理的解决方案。
2020-02-15 cs.CE physics.comp-ph physics.flu-dyn
A 3D phase-field based Eulerian variational framework for multiphase fluid-structure interaction with contact dynamics
提出一种并行化三维全欧拉变分框架,基于相场法模拟多相流体与多个可变形固体的接触动力学相互作用,通过多个数值算例验证了其在流固接触及大变形问题中的有效性。
2024-02-15 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Treatment of solid objects in the Pencil Code using an immersed boundary method and overset grids
在流动模拟中,可使用的两种实体表示方法是浸没边界法和重叠网格。这些方法在计算成本、灵活性和数值精度方面有很大的不同。我们在这里提出了一个调查的使用不同的方法,以评估其优点和缺点的目的。目前,铅笔代码中的重叠网格方法只能用于表示流中的圆柱体。对于这项任务,它超越了沉浸边界法在产生高精度的解决方案,在适度的计算成本。这部分是由于局部网格拉伸和体适形网格,部分是由于在不同网格上使用局部时间步长限制的可能性。浸没边界法弥补了计算效率的不足,在复杂几何形状的应用方面具有灵活性,由于最近扩展的方法,允许我们实现它来表示任意形状的物体在流中。
2018-06-18 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Structure-Property Linkage in Shocked Multi-Material Flows Using A Level-Set Based Eulerian Image-To-Computation Framework
微观尺度的形态学和动力学在非均质材料的宏观或系统尺度流动中起着至关重要的作用。在多尺度框架中,闭合模型提升了未解决的子网格(中尺度)物理,因此封装了结构-性质(S-P)联系,以预测宏观尺度的性能。这项工作建立了一个路线的结构-属性的联系,进行所有的方式从成像的微观结构流计算在一个统一的水平集为基础的框架。水平集用于:1)通过图像分割定义嵌入的几何形状; 2)模拟尖锐浸入边界与流场的相互作用;以及3)计算形态度量以量化结构。计算中尺度动力学以计算次网格特性,即动量和能量方程的闭合模型。两种类型的多物质流的结构-性能的联系证明:相互作用的冲击与云的颗粒和反应细观力学的压制高能材料。我们还提出了一种方法来连接局部形态特征的微观结构包含拓扑复杂的功能与冲击响应的成像样品的这种材料。这为使用几何机器学习技术将成像形态与其属性相关联铺平了道路。
2019-12-07 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.flu-dyn
Volume filtered FEM-DEM framework for simulating particle-laden flows in complex geometries
提出一种基于体积过滤的 FEM-DEM 计算框架,通过稳定化 FEM 求解流体相与 DEM 求解颗粒相,并设计高效守恒的耦合方案,实现了复杂几何中大规模含颗粒流动的模拟。
2023-11-27 physics.flu-dyn
A combined immersed boundary and discrete unified gas kinetic scheme for particle-fluid flows
采用离散统一气体动力学格式(DUGKS)和浸没边界(IB)方法,对含颗粒流动进行了界面分辨模拟。本方法(IB-DUGKS)保留了IB和DUGKS各自的优点,即,处理复杂流动的灵活性和效率,以及鲁棒性和低数值耗散。在IB-DUGKS中,IB方法用于处理流固界面,DUGKS用于模拟流体流动,分别利用拉格朗日和欧拉网格。这两个网格是完全独立的,这有助于避免网格再生时,一个固体粒子的移动。具体而言,在本实施的IB-DUGKS,在颗粒表面的无滑移边界条件是准确地执行通过引入一个有效的迭代强迫算法,和IB力引起的颗粒边界方便地纳入DUGKS与奇异分裂计划。的准确性的IB-DUGKS第一次验证中的流动通过一个静止的气缸和一个振荡的气缸在一个静止的流体。在此之后,几个成熟的二维和三维颗粒流问题进行了模拟,包括一个颗粒的沉降和DKT动力学的两个颗粒在一个通道中,和一组颗粒沉降在一个封闭的。在所有的测试情况下,结果是在良好的协议与文献中的数据,表明拟议的IB-DUGKS是一个很有前途的工具,用于模拟颗粒流。
2018-01-16 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Marangoni instabilities of cylindrical drops in a vertical Hele-Shaw cell immersed in stratified liquids
研究了垂直海利-沙瓦细胞中浸没在分层液体中的圆柱形液滴的马兰戈尼不稳定性,发现两种不同的不稳定性模式,并提出统一的标度理论。
2025-12-18 physics.flu-dyn
Eulerian simulation of complex suspensions and biolocomotion in three dimensions
提出了一种基于参考映射技术(RMT)的三维流固耦合问题数值模拟方法。RMT是一种完全欧拉的流固耦合数值方法,允许流体和大变形弹性固体在一个固定的计算网格上表示。这就消除了其他流固耦合方法中典型的网格化复杂几何形状的需要,并大大简化了流体和固体之间的耦合。我们开发了第一个三维的RMT,并行使用分布式内存的范例,模拟不可压缩的FSI与新胡克固体。作为我们的新方法的一部分,我们开发了一个新的场外推方案,有效地并行工作。通过典型算例,证明了该方法的精度和收敛性,以及在多体系统和主动系统研究中的适用性。这些例子包括沉重的和浮力软椭球体的混合物,盖子驱动的空腔流包含一个软球,和游泳者通过主动应力驱动的解决方案。
2021-03-31 cs.NA math.NA physics.flu-dyn
A Fully Parallel Dual-Grid Immersed-Boundary Framework for Flow-Induced Sound from Complex Moving and Deforming Bodies
Lakehead University(湖首大学)
本文开发了一种全并行双网格浸入边界框架,耦合不可压缩纳维-斯托克斯求解器与APE求解器,可高效预测复杂运动变形物体的流致声,经多案例验证且适用于真实三维生物运动场景。
2026-09-09 physics.flu-dyn
A target-fixed immersed-boundary formulation for rigid bodies interacting with fluid flow
National Taiwan University(国立台湾大学)
本文提出物体固定参考系下的浸入边界投影法求解复杂刚体流固耦合问题,通过隐式耦合等设计提升低固流质量比下的稳定性与表面应力精度,经二维算例验证了方法有效性。
2020-01-01 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A mesh-free framework for high-order direct numerical simulations of combustion in complex geometries
本文提出融合高阶无网格离散与有限差分的预混燃烧 DNS 框架,可在复杂几何中实现高精度模拟,并经二维、三维及反应/惰性流动验证。
2024-01-05 physics.flu-dyn
A sharp immersed method for 2D flow-body interactions using the vorticity-velocity Navier-Stokes equations
本文提出一种基于浸没界面法的尖锐界面方法,用于二维涡量-速度Navier-Stokes方程中的流-体双向耦合,通过移动边界处理和控制体积动量平衡实现二阶精度,并显著提升效率。
2023-09-15 physics.comp-ph 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
Mechanism-Resolved Interface Momentum Transfer in Immersed-Boundary Lattice Boltzmann Simulations
该研究以经典流动案例为探针,解析IB-LBM模拟中边界方案、核函数等对界面动量传递的影响,揭示机制并替代通用方案排序。
2026-09-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
A stable fluid-structure-interaction solver for low-density rigid bodies using the immersed boundary projection method
具有复杂几何形状的低密度刚性颗粒的分散在自然环境和工业环境中普遍存在。我们表明,虽然耦合不可压缩的纳维-斯托克斯方程和牛顿运动方程的显式方法往往足以解决低密度比的圆柱形粒子的运动,对于更复杂的粒子-如一个突出的身体-他们变得不稳定。我们提出了一个隐式制定的框架内的刚体动力学和流体动力学之间的耦合浸没边界投影方法。类似于以前的工作,这种方法,在本方法中得到的矩阵方程求解使用块LU分解。块LU分解的每一步都被修改为包含刚体动力学。我们表明,我们的方法实现了二阶精度的空间和一阶的时间(三阶的实际设置),只有一个小的额外的计算成本的原始方法。我们的隐式耦合产生稳定的解决方案,密度比低至$10^{-4}$。我们还考虑了位于刚体内部的虚拟流体对我们的方法的精度和稳定性的影响。
2015-11-05 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Measurement of viscoelastic properties of a liquid using an immersed rotating body of a general shape subjected to oscillatory shear
本研究提出利用任意形状浸没旋转体的振荡运动测量液体粘弹性的新方法,经多种流体和叶轮测试,在宽频率范围内误差不超7%,可用于工业流体原位在线监测。
2025-05-16 physics.flu-dyn