基于Navier-Stokes-Brinkman惩罚法在流体流动问题中纳入障碍物
流体动力学
2021-12-15 v3
摘要
模拟流体与浸没运动固体的相互作用，对于定量理解障碍物的存在如何改变流体动力学以及运动流体对固体施加何种力具有重要作用。此类问题出现在多种情境中，从涡轮机等众多技术应用，到瓣膜调节血流动力学等医学问题。通常，此类问题的数值处理在流固耦合（FSI）框架内提出。通用FSI模型能够捕捉双向相互作用，但求解困难且计算昂贵。简化方法通过实现更好的计算效率提供了可能的补救，从而将范围扩展到以理解固体对流体动力学改变为重点的高要求应用问题。在本研究中，我们报告了针对此类应用的新方法开发。在我们的方法中，刚性运动障碍物利用多孔介质理论的概念纳入流体动力学背景。基于Navier-Stokes-Brinkman方程（其通过Darcy阻力项扩充Navier-Stokes方程），我们的方法将固体障碍物表示为包含渗透率消失的多孔介质的时变区域。数值稳定和湍流建模通过使用基于残差的变分多尺度公式处理。我们通过求解美国食品药品监督管理局（FDA）提出的旋转血泵标准基准问题，展示了我们方法的关键优势——计算效率和易于实现。通过进行网格收敛研究并与该基准提供的广泛实验数据比较，证明了有效性。
引用
@article{arxiv.2009.03113,
title = {On the Incorporation of Obstacles in a Fluid Flow Problem Using a Navier-Stokes-Brinkman Penalization Approach},
author = {Jana Fuchsberger and Elias Karabelas and Philipp Aigner and Steven Niederer and Gernot Plank and Heinrich Schima and Gundolf Haase},
journal= {arXiv preprint arXiv:2009.03113},
year = {2021}
}