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求解不可压缩Navier-Stokes方程的高阶任意Lagrangian-Eulerian间断Galerkin方法。 (英语) 兹伯利07506519

摘要:本文针对运动网格上的不可压缩Navier-Stokes方程,发展了鲁棒的间断Galerkin方法。在耦合型和投影型或分裂型Navier-Stokes解算器的统一框架中,提出了高阶精确的任意拉格朗日-欧拉公式。该框架具有灵活性,允许对流项的隐式和显式公式,以及自适应时间步进。带ALE传输项的Navier-Stokes方程在变形几何体上求解,该变形几何体存储了从一个时间步长更新到下一个时间步的网格实例。将空间离散化应用于时间离散方程,以便在当前时间步长的末尾计算所有弱形式和质量矩阵。这种设计确保了所提出的公式自动满足几何守恒定律,这从理论上得到了证明,并通过自由流保存试验的例子进行了数值验证。我们讨论了投影型方法中间步骤中与边界条件施加相关的特性,以及保持高精度所需的要素。我们从数值上表明,本文中提出的公式在空间和时间上都保持了Navier-Stokes解算器的形式精度顺序。此外,我们还证明了欠分辨率湍流的鲁棒性和准确性。该实现基于快速无矩阵算子求值,以设计计算效率高的算法。

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参考文献:

[1] Wall,W.A。;Gerstenberger,A。;Gamnitzer,P。;Förster,C。;Ramm,E.,《大变形流体-结构相互作用——ALE方法和新固定网格方法的进展》,(Bungartz,H.-J.;Schäfer,M.,《流体-结构交互作用》(2006),斯普林格-柏林-海德堡:斯普林格/柏林-海德堡-柏林,海德堡),195-232·Zbl 1323.74097号
[2] 肖特,B。;Ager,C。;Wall,W.,基于包含切割元素的混合Eulerian-ALE流体域分解的流体-结构相互作用整体方法,国际期刊Numer。方法工程,119,3,208-237(2019)
[3] 希特,C。;Amsden,A。;Cook,J.,适用于所有流速的任意拉格朗日-欧拉计算方法,J.Compute。物理。,14, 3, 227-253 (1974) ·Zbl 0292.76018号
[4] Donea,J。;朱利安尼,S。;Halleux,J.,瞬态动态流体-结构相互作用的任意拉格朗日-欧拉有限元法,计算。方法应用。机械。工程师,33,1,689-723(1982)·Zbl 0508.73063号
[5] Donea,J。;A.韦尔塔。;彭霍特,J.-P。;Rodríguez-Ferran,A.,《任意拉格朗日-尤利安方法》,1-23(2017),美国癌症学会
[6] Donea,J。;法索利·斯特拉,P。;朱利安尼,S.、拉格朗日和欧拉瞬态流体-结构相互作用问题有限元技术,Therm。流体/结构。动态。分析。(1977)
[7] 休斯·T·J。;刘伟凯。;Zimmermann,T.K.,不可压缩粘性流的拉格朗日-欧拉有限元公式,计算。方法应用。机械。工程,29,3,329-349(1981)·兹比尔04827.6039
[8] 何,L.-W。;Patera,A.T.,非定常不可压缩粘性自由表面流动模拟的勒让德谱元法,计算。方法应用。机械。工程师,80,1355-366(1990)·Zbl 0722.76052号
[9] Beskok,A。;Warburton,T.C.,运动区域内流体流动和传热的非结构化hp有限元格式,J.Compute。物理。,174, 2, 492-509 (2001) ·兹比尔0995.76043
[10] Lesoinne,M。;Farhat,C.,移动边界和可变形网格流动问题的几何守恒定律及其对气动弹性计算的影响,计算。方法应用。机械。工程,134,1,71-90(1996)·Zbl 0896.76044号
[11] Lomtev,I。;柯比,R。;Karniadakis,G.,运动区域中可压缩粘性流的间断Galerkin ALE方法,J.Compute。物理。,155, 1, 128-159 (1999) ·Zbl 0956.76046号
[12] Nguyen,V.-T.,用于模拟可变几何体上流动的任意拉格朗日-欧拉间断Galerkin方法,J.Fluids Struct。,26, 2, 312-329 (2010)
[13] Mavrilis,D.J。;Nastase,C.R.,《关于动态变形网格上高阶间断Galerkin离散的几何守恒定律》,CFD问题高阶方法专刊。CFD问题的特刊高阶方法,J.Compute。物理。,230, 11, 4285-4300 (2011) ·Zbl 1220.65138号
[14] 佩尔松,P.-O。;Bonet,J。;Peraire,J.,变形域上Navier-Stokes方程的间断Galerkin解,计算。方法应用。机械。工程,1981585-1595(2009)·Zbl 1227.76038号
[15] Schnücke,G。;北卡罗来纳州克莱斯。;Bolemann,T。;Gassner,G.J.,双曲守恒律具有逐部分求和性质的移动网格上熵稳定的间断Galerkin格式(2018),arXiv预印本
[16] 费雷尔,E。;Willden,R.H.J.,带旋转滑动网格的高阶间断Galerkin-Fourier不可压缩三维Navier-Stokes解算器,J.Compute。物理。,231, 21, 7037-7056 (2012) ·Zbl 1284.35311号
[17] 王,Y。;奎尼,A。;乔安尼奇,S.,用高阶间断Galerkin/任意拉格朗日-欧拉分块方法解决不可压缩、粘性流体和弹性结构的流体-结构相互作用问题,J.Sci。计算。,76, 1, 481-520 (2018) ·Zbl 1404.65183号
[18] P.D.托马斯。;Lombard,C.K.,《几何守恒定律及其在移动网格流动计算中的应用》,AIAA J.,17,10,1030-1037(1979)·Zbl 0436.76025号
[19] Farhat,C。;Geuzaine,P.,用于解决移动网格上非定常流动问题的鲁棒ALE时间积分器的设计和分析,任意拉格朗日-欧拉公式。任意拉格朗日-欧式公式,计算。方法应用。机械。工程,193,39,4073-4095(2004)·Zbl 1068.76063号
[20] Förster,C。;Wall,W.A。;Ramm,E.,《变形域瞬态流动计算中的几何守恒定律》,国际J·数值。《液体方法》,50,12,1369-1379(2006)·Zbl 1097.76049号
[21] 埃蒂安,S。;加隆,A。;Pelletier,D.,《不可压缩流动ALE模拟的几何守恒定律和有限元方法透视》,J.Compute。物理。,228, 7, 2313-2333 (2009) ·Zbl 1275.76159号
[22] Cockburn,B。;Kanschat,G。;Schötzau,D.,不可压缩Navier-Stokes方程的局部保守LDG方法,数学。计算。,74, 251, 1067-1095 (2005) ·Zbl 1069.76029号
[23] Cockburn,B。;Kanschat,G。;Schötzau,D.,关于Navier-Stokes方程非连续Galerkin发散解的注记,科学杂志。计算。,31, 1, 61-73 (2007) ·Zbl 1151.76527号
[24] Cockburn,B。;Kanschat,G。;Schötzau,D.,《不可压缩Navier-Stokes方程的等阶差分格式》,J.Sci。计算。,40, 1-3, 188-210 (2009) ·Zbl 1203.76080号
[25] Bassi,F。;Crivellini,A。;彼得罗,D.D。;Rebay,S.,不可压缩Navier-Stokes方程不连续Galerkin解的人工压缩通量,J.Comput。物理。,218, 2, 794-815 (2006) ·Zbl 1158.76313号
[26] 沙巴齐,K。;菲舍尔,P.F。;Ethier,C.R.,非定常不可压缩Navier-Stokes方程的高阶间断Galerkin方法,J.Compute。物理。,222,1391-407(2007年)·Zbl 1216.76034号
[27] 赫塞文,J.S。;Warburton,T.,《节点非连续Galerkin方法:算法、分析和应用》(2007),Springer
[28] 博蒂,L。;Pietro,D.A.D.,具有不连续速度和连续压力的对流主导的不可压缩流的压力校正方案,J.Comput。物理。,230, 3, 572-585 (2011) ·Zbl 1283.76030号
[29] 费雷尔,E。;Willden,R.H.J.,不可压缩Navier-Stokes方程的高阶间断Galerkin有限元解算器,计算。流体,46,1,224-230(2011)·Zbl 1431.76011号
[30] 克莱因,B。;Kummer,F。;Oberlack,M.,《定常不可压缩流的基于SIMPLE的间断Galerkin解算器》,J.Compute。物理。,237, 235-250 (2013) ·Zbl 1286.76124号
[31] Ferrer,E.,隐式大涡模拟的内部惩罚稳定不可压缩间断Galerkin-Fourier解算器,J.Compute。物理。,348, 754-775 (2017) ·Zbl 1380.76018号
[32] 斯坦莫勒,D.T。;Stastna,M。;Lamb,K.G.,关于不可压缩流中压力投影算子的间断Galerkin离散化的简短说明,J.Compute。物理。,251, 480-486 (2013) ·兹比尔1349.65488
[33] Joshi,S.M。;Diamessis,P.J。;斯坦莫勒,D.T。;Stastna,M。;Thomsen,G.N.,《在微解析不可压缩无粘流中稳定不连续压力投影算子的后处理技术》,第13届USNCCM计算流体动力学高阶方法国际研讨会——纪念David Kopriva教授60岁诞辰的特刊。第13届USNCCM计算流体动力学高阶方法国际研讨会——纪念David Kopriva教授60岁诞辰的特刊。流体,139120-129(2016)·Zbl 1390.76325号
[34] 克兰克,B。;Fehn,N。;Wall,W.A。;Kronbichler,M.,三维不可压缩流动的高阶半显式间断Galerkin解算器,应用于湍流通道流动的DNS和LES,J.Compute。物理。,348, 634-659 (2017) ·Zbl 1380.76040号
[35] Fehn,N。;Wall,W.A。;Kronbichler,M.,欠分辨率湍流不可压缩流的稳健高效间断Galerkin方法,J.Compute。物理。,372, 667-693 (2018) ·Zbl 1415.76451号
[36] Lehrenfeld,C。;Schöberl,J.,非定常不可压缩流动的高阶完全无发散混合间断Galerkin方法,计算。方法应用。机械。工程,307339-361(2016)·Zbl 1439.76081号
[37] 施罗德,P.W。;Lube,G.,无发散H(div)-应用于高雷诺数涡旋动力学的含时不可压缩流动的有限元法,科学杂志。计算。,75,2830-858(2018)·Zbl 1392.35210号
[38] Rhebergen,S。;Wells,G.N.,《带无点发散速度场的Navier-Stokes方程的可杂交间断Galerkin方法》,J.Sci。计算。,76, 3, 1484-1501 (2018) ·Zbl 1397.76077号
[39] 施罗德,P.W。;Lube,G.,《非自适应网格上具有边界和移动内层的不可压缩自然对流的稳定dG-FEM》,J.Compute。物理。,335760-779(2017)·Zbl 1380.65286号
[40] 阿克巴斯,M。;Linke,A。;雷霍尔茨,L.G。;Schroeder,P.W.,不可压缩流DG方法中grad-dv稳定的模拟:张量积网格的极限行为和扩展,Comput。方法应用。机械。工程,341,917-938(2018)·Zbl 1440.76047号
[41] Fehn,N。;克伦比克勒,M。;Lehrenfeld,C。;润滑油,G。;Schroeder,P.W.,《低分辨率湍流不可压缩流的高阶DG解算器:(L^2)和H(div)方法的比较》,《国际数值杂志》。方法流体,91,11,533-556(2019)
[42] Gassner,G.J.,《偏对称非连续Galerkin谱元离散及其与SBP-SAT有限差分方法的关系》,SIAM J.Sci。计算。,35、3、A1233-A1253(2013)·Zbl 1275.65065号
[43] H.O.克莱斯。;Scherer,G.,双曲型偏微分方程的有限元和有限差分方法,(de Boor,C.,偏微分方程中有限元的数学方面(1974),学术出版社,195-212·Zbl 0355.65085号
[44] 费希尔,T.C。;Carpenter,M.H.,非线性守恒律的高阶熵稳定有限差分格式:有限域,J.Compute。物理。,252, 518-557 (2013) ·Zbl 1349.65293号
[45] Orszag,S.A.公司。;以色列,M。;Deville,M.O.,《不可压缩流动的边界条件》,科学杂志。计算。,1, 1, 75-111 (1986) ·兹伯利0648.76023
[46] Karniadakis,G.E。;以色列,M。;Orszag,S.A.,《不可压缩Navier-Stokes方程的高阶分裂方法》,J.Compute。物理。,97, 2, 414-443 (1991) ·Zbl 0738.76050号
[47] Fehn,N。;Wall,W.A。;Kronbichler,M.,基于高阶间断Galerkin离散的不可压缩Navier-Stokes方程投影方法的稳定性,J.Compute。物理。,351, 392-421 (2017) ·Zbl 1380.65204号
[48] 徐,L。;Xu,X。;任,X。;郭毅。;Feng,Y。;Yang,X.,基于不连续速度和连续压力的不可压缩流高阶分裂方法的稳定性评估,Adv.Mech。工程,11,10,第1687814019855586页(2019年)
[49] 谢尔顿,J.P。;米勒,S.T。;Pitt,J.S.,一种用于建模流体-结构相互作用的混合间断Galerkin方法,J.Compute。物理。,326, 91-114 (2016) ·Zbl 1373.74042号
[50] Neunteufel,M。;Schöberl,J.,与H(div)协调有限元的流体-结构相互作用,计算。结构。,243,第106402条pp.(2021)
[51] Fu,G.,带移动边界和界面的不可压流的任意拉格朗日-欧拉杂交间断Galerkin方法,计算。方法应用。机械。工程,367,第113158条pp.(2020)·Zbl 1442.76066号
[52] Rhebergen,S。;Cockburn,B.,变形域上不可压缩流动的时空混合间断Galerkin方法,J.Compute。物理。,231, 11, 4185-4204 (2012) ·Zbl 1426.76298号
[53] Horváth,T.L.公司。;Rhebergen,S.,用于含时域上Navier-Stokes问题的局部保守和能量稳定有限元方法,国际期刊Numer。方法流体,89,12,519-532(2019)
[54] 克伦比克勒,M。;Wall,W.A.,连续和不连续伽辽金方法与快速多重网格求解器的性能比较,SIAM J.Sci。计算。,40、5、A3423-A3448(2018)·兹比尔1402.65163
[55] 克伦比克勒,M。;Kormann,K.,不连续Galerkin有限元算子的快速无矩阵计算,ACM Trans。数学。软质。,第45、3条,第29页(2019年)·Zbl 1486.65253号
[56] 伊贝德,H。;奥尔森,L。;Gropp,W.,《FFT、FMM和多重网格在exascale之路上:性能挑战和机遇》,J.Parallel Distribute.Compute。,136, 63-74 (2020)
[57] 一村,T。;Fujita,K。;Quinay,P.E.B。;Maddegedara,L。;Hori,M。;田中,S。;Y.Shizawa。;小林,H。;Minami,K.,用1.08T DOF和0.270T非结构化有限元进行隐式非线性波浪模拟,以增强综合地震模拟,(SC'15:高性能计算、网络、存储和分析国际会议论文集(2015)),1-12
[58] 格梅纳,B。;吕德,美国。;斯坦格尔,H。;瓦卢加,C。;Wohlmuth,B.,《Stokes系统分层混合多重网格解算器的性能和可扩展性》,SIAM J.Sci。计算。,37、2、C143-C168(2015)·Zbl 1320.65188号
[59] 菲舍尔,P。;最小,M。;Rathnayake,T。;杜塔,S。;科列夫,T。;Dobrev,V。;卡米尔,J.-S。;克伦比克勒,M。;沃伯顿,T。;Świrydowicz,K。;Brown,J.,《高性能PDE解算器的可扩展性》,国际期刊《高性能计算》。申请。,34, 5, 562-586 (2020)
[60] Fehn,N。;Wall,W.A。;Kronbichler,M.,高性能间断Galerkin谱元方法对欠分辨率湍流不可压缩流动的效率,国际期刊数值。《液体方法》,88,1,32-54(2018)
[61] Gassner,G.J。;Beck,A.D.,关于欠分辨率湍流模拟的高阶离散精度,Theor。计算。流体动力学。,27, 3, 221-237 (2013)
[62] 莫拉·R。;Mengaldo,G。;佩罗,J。;Sherwin,S.,《关于欧拉湍流隐式LES/欠分辨率DNS的高阶间断Galerkin方法的涡流分辨率》,J.Compute。物理。,330, 615-623 (2017) ·Zbl 1378.76036号
[63] 坎特韦尔,C。;莫西·D·。;Comerford,A。;Bolis,A。;罗科·G。;Mengaldo,G。;Grazia,D.D。;雅科夫列夫,S。;伦巴第,J.-E。;埃克尔斯肖特博士。;Jordi,B。;Xu,H。;穆罕默德,Y。;埃斯基尔森,C。;B.纳尔逊。;Vos,P。;比奥托,C。;Kirby,R。;Sherwin,S.,Nektar++:一个开源的光谱/hp元素框架,计算。物理学。社区。,192, 205-219 (2015) ·Zbl 1380.65465号
[64] 菲舍尔,P。;科克迈尔,S。;佩普林斯基,A。;剃须刀,D。;Tomboulides,A。;最小,M。;奥巴布科,A。;Merzari,E.,NEK5000网页(2020年)
[65] 阿恩特,D。;班格思,W。;达维多夫,D。;Heister,T。;赫尔泰,L。;克伦比克勒,M。;迈尔,M。;佩尔特,J.-P。;Turcksin,B。;Wells,D.,交易。II有限元库:设计、功能和见解,Comput。数学。申请。(2020),出版中
[66] Donea,J。;Huerta,A.,《流动问题的有限元方法》(2003),John Wiley&Sons
[67] Guermond,J.L。;Minev,P。;沈,J.,不可压缩流投影方法概述,计算。方法应用。机械。工程,195,44-47,6011-6045(2006)·Zbl 1122.76072号
[68] Karniadakis,G.E。;Sherwin,S.J.,《计算流体动力学的光谱/hp元素方法》(2013),牛津大学出版社·Zbl 1256.76003号
[69] Chorin,A.J.,Navier-Stokes方程的数值解,数学。计算。,22, 104, 745-762 (1968) ·Zbl 0198.50103号
[70] 希特,C。;Cook,J.,计算建筑物周围和崎岖地形上的三维流动,J.Comput。物理。,10, 2, 324-340 (1972) ·Zbl 0251.76017号
[71] Goda,K.,《计算二维或三维空腔流动的隐式差分多步技术》,J.Compute。物理。,30, 1, 76-95 (1979) ·Zbl 0405.76017号
[72] Van Kan,J.,粘性不可压缩流的二阶精确压力校正方案,SIAM J.Sci。统计计算。,7, 3, 870-891 (1986) ·Zbl 0594.76023号
[73] Timmermans,L。;Minev,P。;Van De Vosse,F.,《使用谱元素的不可压缩流的近似投影方案》,国际期刊数值。液体方法,22,7,673-688(1996)·Zbl 0865.76070号
[74] J.Guermond。;Shen,J.,关于旋转压力修正投影法的误差估计,数学。计算。,73, 248, 1719-1737 (2004) ·Zbl 1093.76050号
[75] 王,D。;Ruuth,S.J.,含时偏微分方程的变步长隐式-显式线性多步法,J.Compute。数学。,838-855 (2008) ·Zbl 1174.65037号
[76] Escobar-Vargas,J.A。;Diamessis,P.J。;Sakai,T.,高雷诺数不可压缩分层流的谱四边形多域罚方法模型,国际期刊数值。液体方法,75,6,403-425(2014)·Zbl 1455.65167号
[77] 高,P。;欧阳,J。;戴,P。;Zhou,W.,《不可压缩流动的耦合连续和非连续有限元法》,国际J。数值。方法流体,84,8,477-493(2017)
[78] 费雷尔,E。;莫西·D·。;Willden,R.H.J。;Sherwin,S.J.,使用相同程度的高阶压力-速度对的不可压缩流投影方法的稳定性:连续和不连续Galerkin公式,Commun。计算。物理。,16, 817-840 (2014)
[79] Leriche,E。;Perchat,E。;拉布罗斯,G。;Deville,M.O.,有或无时间分裂的高阶直接Stokes解算器的精度和稳定性的数值评估,科学杂志。计算。,26, 1, 25-43 (2006) ·Zbl 1141.76047号
[80] Fehn,N。;Munch,P。;Wall,W.A。;Kronbichler,M.,高阶间断Galerkin离散的混合多重网格方法,J.Compute。物理。,415,第109538条pp.(2020)·Zbl 1440.65135号
[81] Arnold,D.N。;布雷齐,F。;Cockburn,B。;Marini,L.D.,椭圆问题间断Galerkin方法的统一分析,SIAM J.Numer。分析。,39, 5, 1749-1779 (2002) ·Zbl 1008.65080号
[82] Hillewert,K.,《工业几何中高分辨率、大规模CFD和声学的不连续伽辽金方法的发展》(2013),卢旺大学,博士论文
[83] Geuzaine,P。;格兰蒙特,C。;Farhat,C.,无粘性和粘性流模拟中具有可证明的二阶时间精度的ALE方案的设计和分析,J.Comput。物理。,191, 1, 206-227 (2003) ·兹比尔1051.76038
[84] Onsager,L.,《统计流体力学》,《新西门托》(Il Nuovo Cimento,1943-1954),第6279-287页(1949)
[85] Fehn,N。;克伦比克勒,M。;Munch,P。;Wall,W.A.,不可压缩欧拉流中异常能量耗散的数值证据:无粘性Taylor Green问题的网格收敛结果(2020),arXiv预印本·Zbl 1515.76125号
[86] Durufle,M。;格罗布,P。;Joly,P.,高斯和高斯-洛巴托求积规则对时域四边形有限元方法精度的影响,数值。方法部分差异。Equ.、。,25, 3, 526-551 (2009) ·Zbl 1167.65057号
[87] 阿尔泽塔,G。;阿恩特,D。;班格思,W。;博德杜,V。;品牌,B。;达维多夫,D。;Gassmoeller,R。;Heister,T。;赫尔泰,L。;科尔曼,K。;克伦比克勒,M。;迈尔,M。;佩尔特,J.-P。;Turcksin,B。;Wells,D.,交易。II库,9.0版,J.Numer。数学。,26, 4, 173-184 (2018) ·Zbl 1410.65363号
[88] 莫西·D·。;阿米奇·R。;Kirby,M.,简单单元的高效无矩阵高阶有限元评估,SIAM J.Sci。计算。,42、3、C97-C123(2020年)·Zbl 1440.65223号
[89] Karniadakis,G.E。;Sherwin,S.J.,《计算流体动力学的谱/hp元素方法》(2005),牛津大学出版社·Zbl 1116.76002号
[90] 泰勒,G。;Green,A.,大漩涡产生小漩涡的机理,Proc。R.Soc.伦敦。序列号。A、 数学。物理学。科学。,158, 895, 499-521 (1937) ·JFM 63.1358.03标准
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