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Numerically stable fluid–structure interactions between compressible flow and solid structures

压缩性 可压缩流 流体力学 边值问题 流固耦合 欧拉路径 流量(数学) 数学 约束(计算机辅助设计) 浸入边界法 机械 边界(拓扑) 经典力学 应用数学 数学分析 物理 几何学 有限元法 拉格朗日 热力学
作者
Jon Gretarsson,Nipun Kwatra,Ronald Fedkiw
出处
期刊:Journal of Computational Physics [Elsevier BV]
卷期号:230 (8): 3062-3084 被引量:45
标识
DOI:10.1016/j.jcp.2011.01.005
摘要

We propose a novel method to implicitly two-way couple Eulerian compressible flow to volumetric Lagrangian solids. The method works for both deformable and rigid solids and for arbitrary equations of state. The method exploits the formulation of [11] which solves compressible fluid in a semi-implicit manner, solving for the advection part explicitly and then correcting the intermediate state to time tn+1 using an implicit pressure, obtained by solving a modified Poisson system. Similar to previous fluid–structure interaction methods, we apply pressure forces to the solid and enforce a velocity boundary condition on the fluid in order to satisfy a no-slip constraint. Unlike previous methods, however, we apply these coupled interactions implicitly by adding the constraint to the pressure system and combining it with any implicit solid forces in order to obtain a strongly coupled, symmetric indefinite system (similar to [17], which only handles incompressible flow). We also show that, under a few reasonable assumptions, this system can be made symmetric positive-definite by following the methodology of [16]. Because our method handles the fluid–structure interactions implicitly, we avoid introducing any new time step restrictions and obtain stable results even for high density-to-mass ratios, where explicit methods struggle or fail. We exactly conserve momentum and kinetic energy (thermal fluid–structure interactions are not considered) at the fluid–structure interface, and hence naturally handle highly non-linear phenomenon such as shocks, contacts and rarefactions.

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