Численное моделирование обтекания систем из круговых профилей с двумя степенями свободы модифицированным методом LS-STAG
Аннотация
Рассмотрена сопряженная двумерная задача о моделировании обтекания системы круговых профилей с двумя степенями свободы низкоскоростным дозвуковым потоком. Для выполнения расчетов использована разработанная и реализованная авторами в виде программного комплекса модификация метода погруженных границ LS-STAG. Данная модификация позволяет производить моделирование обтекания подвижных профилей на неподвижной достаточно грубой прямоугольной структурированной сетке. Модификация LS-STAG-сетки для случая подвижных погруженных границ основана на тех же идеях, которые используются при построении лагранжево-эйлеровых сеток ALE. Метод ALE предполагает, что расчетная область изменяется при движении границы так, что сетка следует за подвижной границей лагранжевым способом и в то же время остается неподвижной, эйлеровой, на достаточном удалении от подвижной границы. В работе представлены результаты верификации модифицированного метода LS-STAG на примере решения задач в гидроупругой постановке о моделировании обтекания пары круговых профилей, имеющих две степени свободы, а также пучков таких профилей ("шахматных" и "коридорных"). Исследовано поведение рассматриваемых систем при различных значениях собственной частоты. Для пары круговых профилей смоделирован ветровой резонанс и бафтинг. Для пучков труб смоделированы различия в обтекании труб в зависимости от номера ряда. Качественные особенности вышеперечисленных режимов удалось восппоизвести на достаточно грубых сетках. Полученные результаты хорошо согласуются с известными в литературе результатами. Использование параллельного алгоритма, основанного на методе декомпозиции области, позволяет получить сверхлинейное ускорение, которое объясняется хорошими предобуславливающими свойствами метода. Разработанный численный метод может быть эффективен для решения широкого класса сопряженных задач аэрогидроупругости.
Литература
2. Puzikova V.V. Numerical simulation of flow past two moving circular airfoils by using the LS-STAG immersed boundary method. Matematicheskoe modelirovanie. 2017;29(10):60-74. (In Russ., abstract in Eng.) EDN: ZHVCEZ
3. Kaplunov S.M., Val’es N.G., Chentsova N.A., et al. A mathematical model for the fluidelastic mechanism exciting vibrations in a system of blunt bodies placed in cross flow of liquid. Thermal Engineering. 2021;59:462-467. https://doi.org/10.1134/S0040601512060031
4. Cheny Y., Botella O. The LS-STAG method: A new immersed boundary/level-set method for the computation of incompressible viscous flows in complex moving geometries with good conservation properties. Journal of Computational Physics. 2010;229(4):1043-1076. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2009.10.007
5. Mittal R., Iaccarino G. Immersed boundary methods. Annual Review of Fluid Mechanics. 2005;37:239-261. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.37.061903.175743
6. Verzicco R. Immersed Boundary Methods: Historical Perspective and Future Outlook. Annual Review of Fluid Mechanics. 2023;55:129-155. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-120720-022129
7. Zeng Y., Wang Y., Yang D., Chen Q. Immersed Boundary Methods for Simulations of Biological Flows in Swimming and Flying Bio-Locomotion: A Review. Applied Sciences. 2023;13(7):4208. https://doi.org/10.3390/app13074208
8. Zhang Y., Pu T., Jia H., et al. Extension of a sharp-interface immersed-boundary method for simulating parachute inflation. Advances in Aerodynamics. 2024;6:3. https://doi.org/10.1186/s42774-023-00162-0
9. Owens S.O., Majumdar D., Wilson C.E., Bartholomew P., Reeuwijk M. A conservative immersed boundary method for the multi-physics urban large-eddy simulation model uDALES v2.0. Geoscientific Model Development. 2024;17(16):6277-6300. https://doi.org/10.5194/gmd-17-6277-2024
10. Başkaya A.O., Capriati M., Turchi A., Magin T., Hickel S. Assessment of immersed boundary methods for hypersonic flows with gas-surface interactions. Computers & Fluids. 2024;270:106-134. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2023.106134
11. Yildiran I.N., Beratlis N., Capuano F., Loke Y.-H., Squires K., Balaras E. Pressure boundary conditions for immersed-boundary methods. Journal of Computational Physics. 2024;510:113-157. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2024.113057
12. Hausmann M., Elmestikawy H., van Wachem B. Physically consistent immersed boundary method: A framework for predicting hydrodynamic forces on particles with coarse meshes. Journal of Computational Physics. 2024;519:113-448. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2024.113448
13. Mittal R., Jung Hee S. Origin and evolution of immersed boundary methods in computational fluid dynamics. Physical Review Fluids. 2023;8:100-501. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.8.100501
14. Hua H., Song Z., Xiong W., Shang J., Zhang L., Han L. Parallel Immersed Boundary Method for Two-Phase Flows on DCU Clusters. International Journal of Computational Fluid Dynamics. 2023;37:711-728. https://doi.org/10.1080/10618562.2024.2356776
15. Harlow F.H., Welch J.E. Numerical calculation of time-dependent viscous incompressible flow of fluid with free surfaces. Physics of Fluids. 1965;8(12):2181-2189. https://doi.org/10.1063/1.1761178
16. Osher S., Fedkiw R.P. Level set methods: an overview and some recent results. Journal of Computational Physics. 2001;169(2):463-502. https://doi.org/10.1006/jcph.2000.6636
17. Donea J., Huerta A., Ponthot J.-Ph., Rodriguez-Ferran A. Arbitrary Lagrangian-Eulerian Methods. Encyclopedia of Computational Mechanics. 2004;1:413-437. https://doi.org/10.1002/0470091355.ecm009
18. Fu M., Zhao G.-F. A sparse domain decomposition method for parallel computing of a four-dimensional lattice spring model. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics. 2021;45(17):2581-2601. https://doi.org/10.1002/nag.3278
19. Chen C., Biros G. Overlapping Domain Decomposition Preconditioner for Integral Equations. IAM Journal on Scientific Computing. 2022;44(6):A3617-A3644. https://doi.org/10.1137/21M1442917
20. Lesoinne M., Farhat C. Geometric conservation laws for flow problems with moving boundaries and deformable meshes, and their impact on aeroelastic computations. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2003;134(1-2):71-90. https://doi.org/10.1016/0045-7825(96)01028-6
21. Balaras E. Modeling complex boundaries using an external force field on fixed Cartesian grids in large-eddy simulations. Computers & Fluids. 2004;33(3):375-404. https://doi.org/10.1016/S0045-7930(03)00058-6
22. Chung M.H. Cartesian cut cell approach for simulating incomressible flows with rigid bodies of arbitrary shape. Computers & Fluids. 2006;35(6):607-623. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2005.04.005
23. Udaykumar H.S., Mittal R., Rampunggoon P., Khanna A. A sharp interface Cartesian grid method for simulating flows with complex moving boundaries. Journal of Computational Physics. 2001;174(1):345-380. https://doi.org/10.1006/jcph.2001.6916
24. Udaykumar H.S., Mittal R., Shyy W. Computation of solid-liquid phase fronts in the sharp interface limit on fixed grids. Journal of Computational Physics. 1999;153(2):535-574. https://doi.org/10.1006/jcph.1999.6294
25. Mittal S., Kumar V. Vortex Induced Vibrations of a Pair of Cylinders at Reynolds Number 1000. International Journal of Computational Fluid Dynamics. 2004;18(7):601-614. https://doi.org/10.1080/1061856031000137017
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Редакционная политика журнала основывается на традиционных этических принципах российской научной периодики и строится с учетом этических норм работы редакторов и издателей, закрепленных в Кодексе поведения и руководящих принципах наилучшей практики для редактора журнала (Code of Conduct and Best Practice Guidelines for Journal Editors) и Кодексе поведения для издателя журнала (Code of Conduct for Journal Publishers), разработанных Комитетом по публикационной этике - Committee on Publication Ethics (COPE). В процессе издательской деятельности редколлегия журнала руководствуется международными правилами охраны авторского права, нормами действующего законодательства РФ, международными издательскими стандартами и обязательной ссылке на первоисточник.
Журнал позволяет авторам сохранять авторское право без ограничений. Журнал позволяет авторам сохранить права на публикацию без ограничений.
Издательская политика в области авторского права и архивирования определяются «зеленым цветом» в базе данных SHERPA/RoMEO.
Все статьи распространяются на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная, которая позволяет другим использовать, распространять, дополнять эту работу с обязательной ссылкой на оригинальную работу и публикацию в этом журналe.
