用于流固接触相互作用及确定性侧向位移问题的统一场整体虚拟域有限元方法

基于两个重叠的非贴体网格，本文发展了一种统一场整体虚拟域有限元方法（UFMFD-FEM），用于求解动态流固相互作用（FSI）中的移动界面问题，该问题涉及界面两侧物理系数的高对比度，以及结构浸没在流体中时与流体通道壁发生的接触碰撞。具体而言，所提出的新型数值方法由一种在虚拟域/浸没边界法（IBM）框架下的整体稳定化混合有限元方法组成，适用于欧拉 - 更新拉格朗日描述下的通用流固接触相互作用（FSCI）问题；该方法在流固界面上包含无滑移类型的界面条件，并在浸没结构与流体通道壁接触时在结构表面引入排斥接触力。所开发的用于 FSI 或 FSCI 问题的 UFMFD-FEM 能够以准确且高效的方式处理具有大旋转和平移位移和/或大变形的结构运动；该方法首先通过两个基准 FSI 问题和一个 FSCI 模型问题进行了验证，随后通过一个真实 FSCI 场景的实验结果进行了验证——即微流体确定性侧向位移（DLD）问题，该问题在实际中应用于通过级联过滤 DLD 微芯片从血液流体中分离循环肿瘤细胞（CTC）；在该场景中，具有柱状障碍物效应的颗粒流体（即流固相互作用和结构碰撞效应）在利用倾斜柱阵列对不同尺寸颗粒（细胞）进行分选中起着重要作用。