黏性流体中带接触的落球：数值模拟与实验数据的比较
流体动力学
2021-03-03 v1 计算工程、金融与科学
数值分析
数值分析
计算物理
摘要
我们针对流体–结构（接触）相互作用问题，基于物理实验数据评估了多种不同的有限元方法。为此，我们采用了 Hagemeier [Mendeley Data, doi: 10.17632/mf27c92nc3.1] 实验中的数据。该数据包含单个颗粒在极高黏性流体中下落并与底部液槽壁反弹的轨迹。由此产生的流动处于蠕变流与湍流之间的过渡区。由于流体域的大幅变化以及壁面与颗粒之间的接触，这类构型对数值方法尤其具有挑战性。在数值模拟中，我们对下落颗粒同时考虑刚体与线弹性模型。在第一种情形中，我们比较了成熟的任意拉格朗日–欧拉（ALE）方法与移动域 CutFEM 方法，以及一种简单常用的接触避免策略所得的结果。对于带接触的完整流体–结构相互作用（FSI）问题，我们采用全欧拉方法，并结合基于 Nitsche 方法的统一 FSI–接触处理。为提高计算效率，我们利用实验装置的几何对称性将 FSI 系统重构为二维空间问题。最后，我们展示了完整的三维 ALE 计算，以研究颗粒初始状态的微小扰动效应，从而探究实验中观察到的偏离完美竖直下落的现象。所述方法在开源有限元库中实现，结果可免费获取以促进可复现性。
引用
@article{arxiv.2011.08691,
title = {Falling balls in a viscous fluid with contact: Comparing numerical simulations with experimental data},
author = {Henry von Wahl and Thomas Richter and Stefan Frei and Thomas Hagemeier},
journal= {arXiv preprint arXiv:2011.08691},
year = {2021}
}