An improved finite element space for discontinuous pressures

We consider incompressible Stokes flow with an internal interface at which the pressure is discontinuous, as happens for example in problems involving surface tension. We assume that the mesh does not follow the interface, which makes classical interpolation spaces to yield suboptimal convergence rates (typically, the interpolation error in the L(2)(Omega)-norm is of order h(1/2)). We propose a modification of the P(1)-conforming space that accommodates discontinuities at the interface without introducing additional degrees of freedom or modifying the sparsity pattern of the linear system. The unknowns are the pressure values at the vertices of the mesh and the basis functions are computed locally at each element, so that the implementation of the proposed space into existing codes is straightforward. With this modification, numerical tests show that the interpolation order improves to O(h(3/2)). The new pressure space is implemented for the stable P(1)(+)/P(1) mini-element discretization, and for the stabilized equal-order P(1)/P(1) discretization. Assessment is carried out for Poiseuille flow with a forcing surface and for a static bubble. In all cases the proposed pressure space leads to improved convergence orders and to more accurate results than the standard P(1) space. In addition, two Navier-Stokes simulations with moving interfaces (Rayleigh-Taylor instability and merging bubbles) are reported to show that the proposed space is robust enough to carry out realistic simulations. (c) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Evaluation of a bounded high order upwind scheme for 3D incompressible free surface flow computations

fit the context of normalized variable formulation (NVF) of Leonard and total variation diminishing (TVD) constraints of Harten. this paper presents an extension of it previous work by the authors for solving unsteady incompressible flow problems. The main contributions of the paper are threefold. First, it presents the results of the development and implementation of a bounded high order upwind adaptative QUICKEST scheme in the 3D robust code (Freeflow), for the numerical solution of the full incompressible Navier-Stokes equations. Second, it reports numerical simulation results for 1D hock tube problem, 2D impinging jet and 2D/3D broken clam flows. Furthermore, these results are compared with existing analytical and experimental data. And third, it presents the application of the numerical method for solving 3D free surface flow problems. (C) 2007 IMACS. Published by Elsevier B.V. All rights reserved,

A discontinuous-Galerkin-based immersed boundary method

A numerical method to approximate partial differential equations on meshes that do not conform to the domain boundaries is introduced. The proposed method is conceptually simple and free of user-defined parameters. Starting with a conforming finite element mesh, the key ingredient is to switch those elements intersected by the Dirichlet boundary to a discontinuous-Galerkin approximation and impose the Dirichlet boundary conditions strongly. By virtue of relaxing the continuity constraint at those elements. boundary locking is avoided and optimal-order convergence is achieved. This is shown through numerical experiments in reaction-diffusion problems. Copyright (c) 2008 John Wiley & Sons, Ltd.

An implicit technique for solving 3D low Reynolds number moving free surface flows

This paper describes the development of an implicit finite difference method for solving transient three-dimensional incompressible free surface flows. To reduce the CPU time of explicit low-Reynolds number calculations, we have combined a projection method with an implicit technique for treating the pressure on the free surface. The projection method is employed to uncouple the velocity and the pressure fields, allowing each variable to be solved separately. We employ the normal stress condition on the free surface to derive an implicit technique for calculating the pressure at the free surface. Numerical results demonstrate that this modification is essential for the construction of methods that are more stable than those provided by discretizing the free surface explicitly. In addition, we show that the proposed method can be applied to viscoelastic fluids. Numerical results include the simulation of jet buckling and extrudate swell for Reynolds numbers in the range [0.01, 0.5]. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Efficient solutions to robust, semi-implicit discretizations of the immersed boundary method

The immersed boundary method is a versatile tool for the investigation of flow-structure interaction. In a large number of applications, the immersed boundaries or structures are very stiff and strong tangential forces on these interfaces induce a well-known, severe time-step restriction for explicit discretizations. This excessive stability constraint can be removed with fully implicit or suitable semi-implicit schemes but at a seemingly prohibitive computational cost. While economical alternatives have been proposed recently for some special cases, there is a practical need for a computationally efficient approach that can be applied more broadly. In this context, we revisit a robust semi-implicit discretization introduced by Peskin in the late 1970s which has received renewed attention recently. This discretization, in which the spreading and interpolation operators are lagged. leads to a linear system of equations for the inter-face configuration at the future time, when the interfacial force is linear. However, this linear system is large and dense and thus it is challenging to streamline its solution. Moreover, while the same linear system or one of similar structure could potentially be used in Newton-type iterations, nonlinear and highly stiff immersed structures pose additional challenges to iterative methods. In this work, we address these problems and propose cost-effective computational strategies for solving Peskin`s lagged-operators type of discretization. We do this by first constructing a sufficiently accurate approximation to the system`s matrix and we obtain a rigorous estimate for this approximation. This matrix is expeditiously computed by using a combination of pre-calculated values and interpolation. The availability of a matrix allows for more efficient matrix-vector products and facilitates the design of effective iterative schemes. We propose efficient iterative approaches to deal with both linear and nonlinear interfacial forces and simple or complex immersed structures with tethered or untethered points. One of these iterative approaches employs a splitting in which we first solve a linear problem for the interfacial force and then we use a nonlinear iteration to find the interface configuration corresponding to this force. We demonstrate that the proposed approach is several orders of magnitude more efficient than the standard explicit method. In addition to considering the standard elliptical drop test case, we show both the robustness and efficacy of the proposed methodology with a 2D model of a heart valve. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

A Robust, Fully Adaptive Hybrid Level-Set/Front-Tracking Method for Two-Phase Flows with an Accurate Surface Tension Computation

We present a variable time step, fully adaptive in space, hybrid method for the accurate simulation of incompressible two-phase flows in the presence of surface tension in two dimensions. The method is based on the hybrid level set/front-tracking approach proposed in [H. D. Ceniceros and A. M. Roma, J. Comput. Phys., 205, 391400, 2005]. Geometric, interfacial quantities are computed from front-tracking via the immersed-boundary setting while the signed distance (level set) function, which is evaluated fast and to machine precision, is used as a fluid indicator. The surface tension force is obtained by employing the mixed Eulerian/Lagrangian representation introduced in [S. Shin, S. I. Abdel-Khalik, V. Daru and D. Juric, J. Comput. Phys., 203, 493-516, 2005] whose success for greatly reducing parasitic currents has been demonstrated. The use of our accurate fluid indicator together with effective Lagrangian marker control enhance this parasitic current reduction by several orders of magnitude. To resolve accurately and efficiently sharp gradients and salient flow features we employ dynamic, adaptive mesh refinements. This spatial adaption is used in concert with a dynamic control of the distribution of the Lagrangian nodes along the fluid interface and a variable time step, linearly implicit time integration scheme. We present numerical examples designed to test the capabilities and performance of the proposed approach as well as three applications: the long-time evolution of a fluid interface undergoing Rayleigh-Taylor instability, an example of bubble ascending dynamics, and a drop impacting on a free interface whose dynamics we compare with both existing numerical and experimental data.

Temperature Dynamics Investigation At Small And Shallow Lakes Using Hydrodynamic Model

A three-dimensional time-dependent hydrodynamic and heat transport model of Lake Binaba, a shallow and small dam reservoir in Ghana, emphasizing the simulation of dynamics and thermal structure has been developed. Most numerical studies of temperature dynamics in reservoirs are based on one- or two-dimensional models. These models are not applicable for reservoirs characterized with complex flow pattern and unsteady heat exchange between the atmosphere and water surface. Continuity, momentum and temperature transport equations have been solved. Proper assignment of boundary conditions, especially surface heat fluxes, has been found crucial in simulating the lake’s hydrothermal dynamics. This model is based on the Reynolds Average Navier-Stokes equations, using a Boussinesq approach, with a standard k − ε turbulence closure to solve the flow field. The thermal model includes a heat source term, which takes into account the short wave radiation and also heat convection at the free surface, which is function of air temperatures, wind velocity and stability conditions of atmospheric boundary layer over the water surface. The governing equations of the model have been solved by OpenFOAM; an open source, freely available CFD toolbox. As its core, OpenFOAM has a set of efficient C++ modules that are used to build solvers. It uses collocated, polyhedral numerics that can be applied on unstructured meshes and can be easily extended to run in parallel. A new solver has been developed to solve the hydrothermal model of lake. The simulated temperature was compared against a 15 days field data set. Simulated and measured temperature profiles in the probe locations show reasonable agreement. The model might be able to compute total heat storage of water bodies to estimate evaporation from water surface.

Simulação numérica de esteiras em transição utilizando o método dos contornos virtuais

Simulações Numéricas são executadas em um código numérico de alta precisão resolvendo as equações de Navier-Stokes e da continuidade para regimes de escoamento incompressíveis num contexto da turbulência bidimensional. Este código utiliza um esquema compacto de diferenças finitas de sexta ordem na aproximação das derivadas espaciais. As derivadas temporais são calculadas usando o esquema de Runge-Kuta de terceeira ordem com baixo armazenamento. Tal código numérico fornece uma representação melhorada para uma grande faixa de escalas de comprimento e de tempo. As técnicas dos contornos imersos acopladas ao método dos contornos virtuais permitem modelar escoamentos não-estacionários sobre geometrrias complexas, usando simplesmente uma malha Cartesiana uniforme. Por meio de procedimentos de aproximação/interpolação, as técnicas dos contornos imersos (aproximação Gaussiana, interpolação bilinear e redistribuição Gaussiana), permitem a representação do corpo sólido no interior do campo de escoamento, com a superfície não coincidindo com a malha computacional. O método dos contornos virtuais, proposto originalmente por Peskin, consiste, basicamente, na imposição na superfície e/ou no interior do corpo, de um termo de força temporal acrescentando às equações do momento. A aplicação deste campo de força local leva o fluido ao repouso na superfície do corpo, permitindo obter as condições de contorno de não-deslizamento e de não penetração de fluido na parede. A análise das oscilações induzidas no escoamento-contorno pelo processo de desprendimento de vórtices na esteira do cilindro circular e de geometria retangulares na incidência, para números de Reybolds variando de 40 a 400, confirma a eficiência computacional e a aplicabilidade das técncias implementadas.

Modelo matemático de um agitador eletromagnético

O objetivo deste trabalho é estudar os efeitos eletromagnéticos e fluido-dinâmicos induzidos no aço, decorrentes do uso de um agitador eletromagnético. Para tal, foi proposta a construção de um modelo numérico que resolva, de forma acoplada, os problemas de eletromagnetismo e fluido-dinâmica. O modelo numérico do problema eletromagnético, em elementos finitos, foi construído utilizando-se o software Opera-3d/Elektra da Vector Fields. O mesmo foi validado com medidas experimentais de densidade de fluxo magnético feitas na usina. O escoamento decorrente da agitação eletromagnética foi resolvido fazendo-se o acoplamento das forças de Lorentz com as equações de Navier-Stokes. Essas últimas foram resolvidas pelo método de volumes finitos, usando-se o software CFX-4 da AEA Technology. O modelo eletromagnético mostrou que existe um torque máximo dependente da freqüência do campo magnético. Também foi observado que a força magnética aumenta em quatro vezes seu valor, quando a corrente é duplicada. O perfil de escoamento produzido no molde, sob agitação eletromagnética, indica, que as situações de lingotamento testadas, não propiciam o arraste da escória. A velocidade crítica de arraste, determinada via modelo físico, não foi atingida para nenhum caso testado. O modelo fluido-dinâmico e térmico apresentou um aumento do fluxo de calor cedido pelo fluido para a casca solidificada com o uso do agitador eletromagnético. Como conseqüência, observou-se uma queda na temperatura do banho. Também foi observado, que o uso do agitador propicia a remoção de inclusões das camadas mais externas do tarugo. Ao mesmo tempo, notou-se que o uso do agitador aumenta o índice de remoção de inclusões para as duas seções de molde analisadas.

Aerodinâmica de automóveis baseado no método dos contornos virtuais

Este trabalho desenvolve um método numérico para a solução de escoamentos bidimensionais em torno de geometrias automobilísticas utilizando o método de diferenças finitas. O código computacional resolve as equações de Navier-Stokes e de Euler para uma distribuição adequada dos pontos discretos na malha. O método de integração empregado baseia-se no esquema explícito de Runge-Kutta de 3 estágios para as equações da quantidade de movimento e no de sub-relaxações sucessivas para a pressão na base Gauss-Seidel. Utilizou-se a técnica dos contornos virtuais em coordenadas cartesianas para resolver o escoamento sobre uma geometria simplificada, com a superfície coincidente com a malha computacional, e uma geometria automobilística mais complexa (BMW). Para a certificação da técnica empregada, optou-se pela utilização da teoria do escoamento potencial e pela comparação com dados experimentais encontrados na literatura e outros coletados em túnel de vento em escala reduzida. Houve dificuldade nesta comparação devido à falta de artigos relativos às simulações numéricas de escoamentos sobre automóveis e na aplicação da técnica dos contornos virtuais em geometrias complexas. Os resultados foram satisfatórios, com boas perspectivas para trabalhos futuros, contribuindo assim para o desenvolvimento da área.

Movimento de partículas carregadas em fluidos ionizados : fundamentos matemáticos da teoria de eletroforese capilar

Neste trabalho, discutimos o movimento de uma macromolécula carregada em um fluido ionizado. A interação do campo elétrico é descrita pela equação de Poisson-Boltzmann acoplada às equações governantes para a dinâmica do fluido e às equações dinâmicas da partícula. Uma formulação fraca é introduzida no caso em que o domínio ocupado pelo fluido é finito e um teorema de existência de soluções fracas, local em tempo, é estabelecido. Dois modelos são considerados: fluxos não-estacionários e estacionários. No primeiro caso, a hidrodinâmica do sistema é governada pelas equações de Navier-Stokes, considerando-se um termo forçante relacionado ao potencial elétrico; no segundo caso, uma velocidade de deslizamento, a qual depende não linearmente sobre os potenciais, é introduzida como uma condição de contorno para um problema estacionário de Stokes. O caso de um fluido ocupando uma região infinita é também discutido supondo-se uma hipótese de aproximação sobre o campo elétrico.

Aproximações de Galerkin clássico e Galerkin/mínimos quadrados de escoamentos viscosos incompressíveis : aplicação à medição de fluxos

Desde a antigüidade a medição do escoamento dos fluidos tem sido uma marca de nossa civilização, ajudando a predizer a fertilidade das terras e o consumo d’água em fontes e aquedutos. Nos nossos dias, a área de medição de fluxo está bem estabelecida e ainda desperta grande interesse nas linhas de pesquisa da mecânica dos fluidos experimental e computacional. Em particular, o estudo da medição de fluxo com elementos intrusivos, tais como placas de orifício, é de grande interesse dado o preço baixo do medidor, e sua boa precisão quando comparada à sua simplicidade de instalação e manutenção. Esta dissertação tem como objetivo o estudo da aplicação de elementos finitos aos escoamentos de fluidos viscosos - via aproximação clássica de Galerkin e Galerkin/mínimos-quadrados (GLS) – com particular ênfase na aproximação das equações de Navier-Stokes incompressível no escoamento newtoniano através de um canal obstruído por uma placa de orifício. Inicialmente, são apresentadas as dificuldades do método de Galerkin clássico na aproximação de escoamentos incompressíveis; ou seja, através da simulação de escoamentos viscosos bem conhecidos - como o escoamento no interior de uma cavidade e através de uma expansão súbita - fica evidenciada a restrição imposta pela condição de Babuška-Brezzi quando da escolha dos subespaços aproximantes do campo de velocidade e pressão Como alternativa às patologias do método de Galerkin clássico, esta dissertação emprega a metodologia de Galerkin/mínimos-quadrados na simulação acima mencionada da placa de orifício, a qual permite o uso de elementos de igual-ordem para aproximar velocidade e pressão e capturar de maneira estável escoamentos sujeitos a altos números de Reynolds. Os testes computacionais realizados se apresentaram fisicamente realistas quando comparados com a literatura e dados experimentais, sendo todos desenvolvidos no Laboratório de Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional (LAMAC) do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

Um estudo da otimização da geometria de um pára-quedas simplificado

Neste trabalho desenvolve-se um estudo numérico do fluxo de ar em torno da geometria de um pára-quedas tradicional simplificado, para alguns valores de Reynolds. O método baseia-se na solução das equações incompressíveis de Navier- Stokes discretizadas pelo método de diferenças finitas e integradas pelo método de Runge-Kutta. Utiliza-se o método dos contornos virtuais para representar a geometria numa malha cartesiana e o método de otimização não-linear dos poliedros flexíveis para otimização do coeficiente de arraste calculado através do código de dinâmica de fluidos computacional; esteé um método de busca multivariável, onde o pior vértice de um poliedro com n + 1 vérticesé substituído por um novo.

Simulação de fluxo de fluidos em meios porosos desordenados uma análise de efeito de escala na estimativa da permeabilidade e do coeficiente de arrasto

The present study provides a methodology that gives a predictive character the computer simulations based on detailed models of the geometry of a porous medium. We using the software FLUENT to investigate the flow of a viscous Newtonian fluid through a random fractal medium which simplifies a two-dimensional disordered porous medium representing a petroleum reservoir. This fractal model is formed by obstacles of various sizes, whose size distribution function follows a power law where exponent is defined as the fractal dimension of fractionation Dff of the model characterizing the process of fragmentation these obstacles. They are randomly disposed in a rectangular channel. The modeling process incorporates modern concepts, scaling laws, to analyze the influence of heterogeneity found in the fields of the porosity and of the permeability in such a way as to characterize the medium in terms of their fractal properties. This procedure allows numerically analyze the measurements of permeability k and the drag coefficient Cd proposed relationships, like power law, for these properties on various modeling schemes. The purpose of this research is to study the variability provided by these heterogeneities where the velocity field and other details of viscous fluid dynamics are obtained by solving numerically the continuity and Navier-Stokes equations at pore level and observe how the fractal dimension of fractionation of the model can affect their hydrodynamic properties. This study were considered two classes of models, models with constant porosity, MPC, and models with varying porosity, MPV. The results have allowed us to find numerical relationship between the permeability, drag coefficient and the fractal dimension of fractionation of the medium. Based on these numerical results we have proposed scaling relations and algebraic expressions involving the relevant parameters of the phenomenon. In this study analytical equations were determined for Dff depending on the geometrical parameters of the models. We also found a relation between the permeability and the drag coefficient which is inversely proportional to one another. As for the difference in behavior it is most striking in the classes of models MPV. That is, the fact that the porosity vary in these models is an additional factor that plays a significant role in flow analysis. Finally, the results proved satisfactory and consistent, which demonstrates the effectiveness of the referred methodology for all applications analyzed in this study.

Numerical simulation of the liquid phase in SnO2 thin film deposition by sol-gel-dip-coating

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)