谢志华 复杂几何不可压粘性流动的隐式笛卡尔剖分方法。 （英语） Zbl 1507.76142号 计算。方法应用。机械。工程师。 399，文章ID 115449，24 p.（2022）. 摘要：本文提出了一种通用的保守三维笛卡尔剖分方法，用于模拟复杂几何体上的不可压缩粘性流动。本方法基于非均匀交错网格上的有限体积法以及一致的质量和动量通量计算。与常用的切单元方法相反，本方法采用了隐式时间积分格式，避免了数值不稳定性，而无需任何额外的小切单元处理。通过用于压力-速度耦合的PISO算法，流体和切割单元的质量和动量严格守恒。通过模拟各种二维和三维标准基准（圆柱、翼型、球体、管道和心形雕塑上的流动），证明了当前切割细胞方法的通用性和鲁棒性计算结果与以往的实验测量结果以及用无边界法、浸没边界/界面法和其他切割方法得到的各种数值结果吻合良好，验证了该方法的准确性。 引用于三文件 MSC公司： 76个M12 有限体积法在流体力学问题中的应用 6500万08 含偏微分方程初值和初边值问题的有限体积法 关键词：笛卡尔切割单元法;有限体积法;不可压缩流;复杂几何形状;三维 软件：切割FEM PDF格式BibTeX公司 XML格式引用 \textit{Z.Xie}，计算。方法应用。机械。工程399，文章ID 115449，24 p.（2022；Zbl 1507.76142） 全文： 内政部 OA许可证 参考文献： [1] 约翰逊，T.A。；Patel，V.C.，《雷诺数达300的球体绕流》，《流体力学杂志》。，378, 19-70 (1999) [2] 郑，Z。；Li，J.等人。；Loh，C.Y。；Luo，L.-S.，界面动力学的精确力平衡边界协调任意-图-规则方法，J.Compute。物理。，408，第109237条pp.（2020）·Zbl 1514.76054号 [3] Sotiropoulos，F。；Yang，X.，模拟流体-结构相互作用的浸没边界法，Prog。Aerosp.航空公司。科学。，65, 1-21 (2014) [4] 罗伊，S。；De，A。；Balaras，E.，《浸没边界法：发展与应用》（2020），施普林格：施普林格新加坡·兹比尔1470.76005 [5] 米塔尔·R。；Iacarino，G.，《浸没边界法》，年。流体力学版次。，37, 239-261 (2005) ·Zbl 1117.76049号 [6] 格里菲斯，B.E。；Patankar，N.A.，《流体-结构相互作用的浸没法》，年。流体力学版次。，52, 421-448 (2020) ·Zbl 1439.76140号 [7] Ingram，D.M。；Causon，D.M。；Mingham，C.G.，笛卡尔切割单元法的发展，数学。计算。模拟，61561-572（2003）·Zbl 1205.76167号 [8] Peskin，C.，《心脏瓣膜周围的流动模式：数值方法》，J.Compute。物理。，1972年10月252-271日·Zbl 0244.9202号 [9] Uhlmann，M.，《模拟颗粒流的直接强迫浸没边界法》，J.Compute。物理。，209, 448-476 (2005) ·Zbl 1138.76398号 [10] Mohd Yusof，J.，用于模拟复杂几何形状中的流动的组合浸入边界/B样条方法，CTR，Annu。Res.Brief，317-327（1997） [11] Fadlun，E.A。；Verzicco，R。；奥兰迪，P。；Mohd-Yusof，J.，《三维复杂流动模拟的复合浸没边界有限差分方法》，J.Compute。物理。，161, 35-60 (2000) ·Zbl 0972.76073号 [12] Kim，J。；Kim，D。；Choi，H.，《模拟复杂几何形状流动的浸没边界有限体积法》，J.Compute。物理。，171, 132-150 (2001) ·Zbl 1057.76039号 [13] Tseng，Y.H。；Ferziger，J.H.，《复杂几何形状流动的幽灵细胞浸没边界法》，J.Compute。物理。，192, 593-623 (2003) ·Zbl 1047.76575号 [14] Gilmanov，A。；Sotiropoulos，F。；Balaras，E.，《在笛卡尔网格上模拟具有复杂三维浸没边界的水流的通用重建算法》，J.Compute。物理。，191, 660-669 (2003) ·Zbl 1134.76406号 [15] Balaras，E.，在大型模拟中使用固定笛卡尔网格上的外力场建模复杂边界，计算与流体，33，375-404（2004）·Zbl 1088.76018号 [16] Yang，J.等人。；Balaras，E.，与移动边界相互作用的湍流大涡模拟的嵌入边界公式，J.Comput。物理。，215, 12-40 (2006) ·Zbl 1140.76355号 [17] 米塔尔·R。；Dong，H。；博兹库塔斯，M。；Najjar，F.M。；瓦尔加斯，A。；von Loebbecke，A.，《复杂边界不可压缩流动的通用锐界面浸没边界法》，J.Compute。物理。，227, 4825-4852 (2008) ·Zbl 1388.76263号 [18] Berthelsen，P.A。；Faltinsen，O.M.，《具有不规则边界的不可压缩粘性流问题的局部定向虚胞方法》，J.Compute。物理。，227, 4354-4397 (2008) ·Zbl 1388.76199号 [19] 阿卜杜尔·阿齐斯，M.H。；埃夫拉德，F。；van Wachem，B.，《复杂区域中不可压缩流动的浸没边界法》，J.Compute。物理。，378, 770-795 (2019) ·兹比尔1454.76058 [20] Taira，K。；Colonius，T.，《浸没边界法：投影法》，J.Compute。物理。，225, 2118-2137 (2007) ·Zbl 1343.76027号 [21] Seo，J.H。；Mittal，R.，一种改进质量守恒和减少虚假压力振荡的尖锐界面浸没边界法，J.Compute。物理。，230, 7347-7363 (2011) ·Zbl 1408.76162号 [22] 伯杰，M。；Giuliani，A.，有限体积格式在剖分网格上的状态重分布算法，J.Compute。物理。，428 (2021) ·Zbl 07511407号 [23] Brady，P.T。；Livescu，D.，《高阶保守剖分方法的基础：退化网格上的稳定离散化》，J.Compute。物理。，426 (2021) ·Zbl 07510037号 [24] Ye，T。；米塔尔·R。；Udaykumar，H.S。；Shyy，W.，《复杂浸没边界粘性不可压缩流动的精确笛卡尔网格法》，J.Compute。物理。，156, 209-240 (1999) ·Zbl 0957.76043号 [25] 塔克，P.G。；Pan，Z.，《不可压缩粘性流的笛卡尔剖分单元法》，应用。数学。型号。，24, 591-606 (2000) ·Zbl 1056.76059号 [26] Chung，M.H.，用笛卡尔切割单元法模拟具有任意形状刚体的不可压缩流动，计算与流体，35607-623（2006）·Zbl 1160.76369号 [27] Ji，H.等人。；留置权，F.S。；Yee，E.，使用自适应笛卡尔切割-细胞方法结合细胞边缘技术进行爆轰数值模拟，计算与流体，39，1041-1057（2010）·Zbl 1242.76168号 [28] Yamashita，R。；Wutschitz，L。；Nikiforakis，N.，自适应笛卡尔切割网格上音爆建模的全场模拟方法，J.Compute。物理。，408 (2020) ·Zbl 07505607号 [29] 柯克帕特里克，M.P。；Armfield，S.W。；Kent，J.H.，交错三维笛卡尔网格上Navier-Stokes方程解的曲线边界表示，J.Compute。物理。，184, 1-36 (2003) ·兹比尔1118.76350 [30] 哈特曼，D。；Meinke，M。；Schroder，W.，《自适应网格上可压缩粘性流的严格保守笛卡尔割心法》，计算。方法应用。机械。工程，200，1038-1052（2011）·Zbl 1225.76211号 [31] Muralidharan，B。；Menon，S.，《模拟浸没体上方可压缩粘性流的高阶自适应笛卡尔切割-细胞法》，J.Compute。物理。，321, 342-368 (2016) ·Zbl 1349.76370号 [32] 梅耶，M。；Devesa，A。；希克尔，S。；胡晓云。；Adams，N.A.，《不可压缩流动大涡模拟的保守浸没界面法》，J.Compute。物理。，229, 6300-6317 (2010) ·Zbl 1425.76064号 [33] 高，F。；Ingram，D.M。；Causon，D.M。；Mingham，C.G.，《不可压缩粘性流的笛卡尔切割单元法的发展》，国际。J.数字。《液体方法》，54，1033-1053（2007）·Zbl 1178.76275号 [34] Bai，W。；明厄姆，C.G。；考森，医学博士。；Qian，L.，使用笛卡尔切割单元法对粘性自由表面波进行有限体积模拟，国际。J.数字。液体方法，63，69-95（2010）·Zbl 1423.76290号 [35] Li，T.Q。；Troch，P。；De Rouck，J.，海堤上的波浪漫顶，J.计算。物理。，198, 686-726 (2004) ·Zbl 1116.76327号 [36] Xie，Z.，复杂地形上三维破碎波的两相流模型，Proc。R.Soc.A数学。物理。工程科学。，471，第20150101条，第（2015）页·Zbl 1371.86018号 [37] Lin，J.-Y。；沈毅。；丁·H。；刘，N.-S。；Lu，X.-Y.，用稳健的割心法模拟流体-流体界面拓扑变化的可压缩两相流，J.Compute。物理。，328, 140-159 (2017) [38] Dang，S.T。；Meese，E.A。；Morud，J.C。；Johansen，S.T.，基于切割细胞和虚拟流体方法的通用三相流数值方法，国际。J.数字。方法流体，91，419-447（2019） [39] 谢，Z。；Stoesser，T。；Yan，S。；马奇。；Lin，P.，一种基于笛卡尔切割细胞的多相流模型，用于三维波-结构相互作用的大涡模拟，计算与流体，213，第104747条pp.（2020）·Zbl 1521.76263号 [40] Udaykumar，H.S。；Shyy，W。；Rao，M.M.，ELAFINT：复杂移动边界流体流动的混合欧拉-拉格朗日方法，国际。J.数字。液体方法，22691-712（1996）·Zbl 0887.76059号 [41] Bennett，W.P。；Nikiforakis，N。；Klein，R.，使用定向算子分裂的笛卡尔剖分网格的移动边界通量稳定方法，J.Compute。物理。，368, 333-358 (2018) ·Zbl 1392.76034号 [42] 梅恩克，M。；施耐德，L。；冈瑟，C。；Schroder，W.，笛卡尔网格中尖锐移动边界的切割-细胞方法，计算与流体，85，135-142（2013）·Zbl 1290.76087号 [43] 施耐德，L。；哈特曼，D。；Meinke，M。；Schroder，W.，《切割-细胞方法中的精确移动边界公式》，J.Compute。物理。，235, 786-809 (2013) [44] 德赫里斯特，G。；Mieussens，L.，《移动障碍物周围稀薄流动模拟的笛卡尔切割单元法》，J.Compute。物理。，314, 465-488 (2016) ·Zbl 1349.76783号 [45] Muralidharan，B。；Menon，S.，使用二阶自适应笛卡尔切割法模拟移动边界与可压缩反应流的相互作用，J.Compute。物理。，357, 230-262 (2018) ·Zbl 1381.76266号 [46] 谢，Z。；林，P。；Stoesser，T.，一种保守且一致的隐式笛卡尔割心方法，用于减少虚假压力振荡的移动几何体，J.Compute。物理。，459，第111124条pp.（2022）·Zbl 07525122号 [47] Udaykumar，H.S。；Kan，H.C。；Shyy，W。；Tran-Son-Tay，R.，固定笛卡尔网格上任意几何体的多相动力学，J.Compute。物理。，137, 366-405 (1997) ·Zbl 0898.76087号 [48] Kleefsman，K.M.T。；费肯，G。；Veldman，A.E.P。；伊瓦诺夫斯基，B。；Buchner，B.，《基于流体体积的波浪冲击问题模拟方法》，J.Compute。物理。，206, 363-393 (2005) ·Zbl 1087.76539号 [49] Chung，M.H.，用自适应笛卡尔切割/水平集方法模拟嵌入移动固体边界的不可压缩两相流，计算与流体，71，469-486（2013）·兹比尔1365.76217 [50] 钱，L。；Causon，D.M。；明厄姆，C.G。；Ingram，D.M.，《带有运动物体的两种流体流动的自由曲面捕捉方法》，Proc。R.Soc.A数学。物理。工程科学。，462, 21-42 (2006) ·Zbl 1149.76642号 [51] 班圭圭，W。；多拉多克斯，A。；Lavieville，J。；米穆尼，S。；Longatte，E.，一种用于两相流中移动物体的离散强制方法，国际。J.数字。方法流体，88，315-333（2018） [52] 谢，Z。；Stoesser，T.，《运动物体两相流的三维笛卡尔切割/流体体积法》，J.Compute。物理。，416，第109536条，第（2020）页·Zbl 1437.76032号 [53] 陈，Q。；臧，J。；迪马科普洛斯，A.S。；Kelly，D.M。；Williams，C.J.K.，《二维浮体基于笛卡尔切割单元的双向强流固耦合算法》，J.Fluids Struct。，62, 252-271 (2016) [54] 施耐德，L。；冈瑟，C。；Meinke，M。；Schroder，W.，《与粘性可压缩流动相互作用的刚体的一种有效的保守割心方法》，J.Compute。物理。，311, 62-86 (2016) ·Zbl 1349.74345号 [55] 帕斯夸里埃洛，V。；哈默尔，G。；奥利·F·。；希克尔，S。；Danowski，C。；波普，A。；Wall，W.A。；Adams，N.A.，可压缩流中流体与结构相互作用的切向有限体积有限元耦合方法，J.Compute。物理。，307, 670-695 (2016) ·Zbl 1351.76077号 [56] Ji，H.等人。；留置权，F.-S。；Yee，E.，一种稳健高效的混合切割-细胞/幻影细胞方法，具有自适应网格细化，用于不规则域上的移动边界，计算。方法应用。机械。工程师，198432-448（2008）·Zbl 1228.76108号 [57] Fidkowski，K。；Darmofal，D.，用于可压缩Navier-Stokes方程高阶离散化的三角剖分自适应方法，J.Compute。物理。，225, 1653-1672 (2007) ·Zbl 1343.76026号 [58] 克劳斯，S。；Kerfriden，P.，两相流问题的CutFEM方法，计算。方法应用。机械。工程，348185-206（2019）·Zbl 1440.76054号 [59] Bui，H.P。；托马尔，S。；Bordas，S.P.，用于实时手术模拟的推论切割有限元方法：在针头插入模拟中的应用，计算机。方法应用。机械。工程，345183-211（2019）·Zbl 1440.74378号 [60] 韩，Z。；斯托特，S.K。；吴昌堂。；程，C。；Mantzaflaris，A。；Mogilevskaya，S.G。；Schillinger，D.，通过等几何切割方法实现薄层和弹性材料表面高阶界面模型的一致离散化，计算。方法应用。机械。工程，350，245-267（2019）·Zbl 1441.74031号 [61] Ager，C。；肖特，B。；温特，M。；Wall，W.，基于Nitsche的切割有限元法，用于不可压缩流体流动与多孔弹性的耦合，计算。方法应用。机械。工程，351253-280（2019）·Zbl 1441.76119号 [62] Bui，H.-G。；席林格，D。；Meschke，G.，《基于力矩拟合的材料非线性分析高效切割细胞求积》，计算。方法应用。机械。工程，366，第113050条pp.（2020）·Zbl 1442.74221号 [63] 潘德，S。；帕帕佐普洛斯，P。；Babuška，I.，任意平面域上泊松方程的切割有限元法，计算。方法应用。机械。工程，383，第113875条pp.（2021）·Zbl 1506.65223号 [64] Causon，D.M。；Ingram，D.M。；明厄姆，C.G。；Yang，G。；Pearson，R.V.，使用笛卡尔切割单元方法计算浅水流量，高级水资源。，23, 545-562 (2000) [65] Xie，Z.，用两相流模型对破碎波进行的数值研究，Internat。J.数字。《液体方法》，70，246-268（2012）·Zbl 1412.76029号 [66] Issa，R.I.，用算子分裂法求解隐式离散流体流动方程，J.Compute。物理。，62, 40-65 (1986) ·Zbl 0619.76024号 [67] van der Vorst，H.A.，Bi-CGSTAB-非对称线性系统解的Bi-CG快速平滑收敛变体，SIAM J.Sci。统计计算。，13, 631-644 (1992) ·Zbl 0761.65023号 [68] 谢，B。；Xiao，F.，混合非结构化网格上使用多矩有限体积方法的精确和鲁棒PISO算法，Numer。传热B，71，146-172（2017） [69] 维尼尔，C.M。；Pairetti，C.I。；达米安，S.M。；Nigro，N.M.，关于并置网格上PISO算法的稳定性分析，计算与流体，147，25-40（2017）·Zbl 1390.76528号 [70] Lorensen，W.E。；Cline，H.E.，《行进立方体：高分辨率3D曲面构造算法》，计算。图表。，21, 163-169 (1987) [71] Berger，M.，关于切割细胞和细胞合并稳定性的注释，应用。数字。数学。，96, 180-186 (2015) ·Zbl 1321.65137号 [72] 南卡罗来纳州五月。；Berger，M.，嵌入边界网格中切割单元的显式隐式格式，J.Sci。计算。，71, 919-943 (2016) ·Zbl 1372.65250号 [73] 伯曼，E。；克劳斯，S。；Hansbo，P。；Larson，M。；Massing，A.，CutFEM：离散几何和偏微分方程，国际。J.数字。方法工程，104，472-501（2015）·Zbl 1352.65604号 [74] Tritton，D.J.，《低雷诺数圆柱绕流实验》，J.流体力学。，6, 547-567 (1959) ·Zbl 0092.19502号 [75] 库坦索，M。；Bouard，R.，均匀平移圆柱尾迹粘性流主要特征的实验测定。第1部分。稳定流动，J.流体力学。，79, 231-256 (1977) [76] Fornberg，B.，《绕圆柱稳态粘性流的数值研究》，J.流体力学。，98, 819-855 (1980) ·Zbl 0428.76032号 [77] Linnick，M.N。；Fasel，H.F.，《模拟不规则区域非定常不可压缩流动的高阶浸没界面法》，J.Compute。物理。，204, 157-192 (2005) ·兹比尔1143.76538 [78] Y.Cheny。；Botella，O.，LS-STAG方法：一种新的浸没边界/水平集方法，用于计算具有良好守恒特性的复杂运动几何体中的不可压缩粘性流，J.Compute。物理。，229, 1043-1076 (2010) ·兹比尔1329.76252 [79] Williamson，C.H.K.，《低雷诺数圆柱尾迹中旋涡脱落的斜模式和平行模式》，《流体力学杂志》。，206, 579-627 (1989) [80] 刘，C。；郑，X。；Sung，C.，非定常不可压缩流动的预处理多重网格方法，J.Compute。物理。，139, 35-57 (1998) ·Zbl 0908.76064号 [81] 赖，M.-C。；Peskin，C.S.，《一种形式上具有二阶精度和降低数值粘性的浸没边界法》，J.Compute。物理。，160, 705-719 (2000) ·Zbl 0954.76066号 [82] Yang，J.等人。；Stern，F.，波-体相互作用的夏普界面浸没边界/水平集方法，J.Compute。物理。，228, 6590-6616 (2009) ·Zbl 1261.76040号 [83] Kurtulus，D.F.，关于Re=1000稳定外部条件下NACA 0012翼型绕流的非定常行为，国际J.Micro Air Veh。，7, 301-326 (2015) [84] 梅农，K。；Mittal，R.，低雷诺数下典型翼型的气动特性，AIAA J.，112，977-980（2020） [85] 米塔尔，S。；Tezduyar，T.E.，涉及流体-体相互作用的不可压缩流动的大规模并行有限元计算，计算。方法应用。机械。工程，112253-282（1994）·Zbl 0846.76048号 [86] Fornberg，B.，高雷诺数下球体的稳态粘性流，J.流体力学。，190, 471-489 (1988) [87] 康斯坦丁内斯库，G.S。；Squires，K.D.，LES和DES对Re=10000，Turbul条件下球体湍流的研究。库布斯特。，70, 267-298 (2003) ·Zbl 1113.76354号 [88] Jeong，J。；Hussain，F.，《旋涡识别》，J.流体力学。，285, 69-94 (1995) ·Zbl 0847.76007号 [89] Taubin，G.，代数曲线和曲面光栅化的精确算法，IEEE计算。图形应用。，14, 14-23 (1994) [90] M.Berger，M.Aftosmis，《粘性可压缩流笛卡尔切割法的进展》，载于：第50届AIAA航空航天科学会议，包括新视野论坛和航空航天博览会，2012年。 此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配，可能包含数据转换错误。在某些情况下，zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献，而不要求完整或完全匹配。