An Immersed Interface Method for the Incompressible Navier-Stokes Equations in Irregular Domains

We present an immersed interface method for the incompressible Navier Stokes equations capable of handling rigid immersed boundaries. The immersed boundary is represented by a set of Lagrangian control points. In order to guarantee that the no-slip condition on the boundary is satisfied, singular forces are applied on the fluid at the immersed boundary. The forces are related to the jumps in pressure and the jumps in the derivatives of both pressure and velocity, and are interpolated using cubic splines. The strength of singular forces is determined by solving a small system of equations at each time step. The Navier-Stokes equations are discretized on a staggered Cartesian grid by a second order accurate projection method for pressure and velocity.

Numerical study of the atmospheric flow over a coastal cliff

This work presents a numerical method suitable for the study of the development of internal boundary layers (IBL) and their characteristics for flows over various types of coastal cliffs. The IBL is an important meteorological occurrence for flows with surface roughness and topographical step changes. A two-dimensional flow program was used for this study. The governing equations were written using the vorticity-velocity formulation. The spatial derivatives were discretized by high-order compact finite differences schemes. The time integration was performed with a low storage fourth-order Runge-Kutta scheme. The coastal cliff (step) was specified through an immersed boundary method. The validation of the code was done by comparison of the results with experimental and observational data. The numerical simulations were carried out for different coastal cliff heights and inclinations. The results show that the predominant factors for the height of the IBL and its characteristics are the upstream velocity, and the height and form (inclination) of the coastal cliff. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

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.

Modelagem numérica do escoamento em válvulas automáticas de compressores pelo Método da Fronteira Imersa

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Análise de métodos numéricos de diferenças finitas para solução da equação de Poisson em domínios irregulares

Pós-graduação em Matematica Aplicada e Computacional - FCT

A coupled VOF-IBM-enthalpy approach for modeling motion and growth of equiaxed dendrites in a solidifying melt

A coupled methodology for simulating the simultaneous growth and motion of equiaxed dendrites in solidifying melts is presented. The model uses the volume-averaging principles and combines the features of the enthalpy method for modeling growth, immersed boundary method for handling the rigid solid-liquid interfaces, and the volume of fluid method for tracking the advection of the dendrite. The algorithm also performs explicit-implicit coupling between the techniques used. A two-dimensional framework with incompressible and Newtonian fluid is considered. Validation with available literature is performed and dendrite growth in the presence of rotational and buoyancy driven flow fields is studied. It is seen that the flow fields significantly alter the position and morphology of the dendrites. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

基于多矩的有限体积浸入边界法研究

浸入边界法（Immersed Boundary Method）是计算流体力学中求解具有复杂、移动边界流动问题的一类有效途径，该方法在笛卡尔坐标系上离散求解流体控制方程，并通过在控制方程中添加相应源相来代表浸入边界。尽管浸入边界法借助其简单、高效的显著特点在计算流体力学应用中显示出极强的生命力，特别是针对复杂的实际流动及动边界流动问题有着无可比拟的优势，但仍有许多问题需要进一步的研究。 本论文基于浸入边界方法及多矩VSIAM3（Volume/Surface Integrated Average Multi-Moment Method）格式提出了一种不可压缩流体求解数值格式。不可压N-S方程使用VSIAM3格式进行法进行离散，引入浸入边界法处理复杂、移动流动边界条件，使用虚拟网格方法计算动量方程修正项，同时还考虑了对连续方程的修正。VSIAM3格式是一种基于多矩的有限体积法，在方程的离散中总是使用两种或两种以上的矩，如：VIA（Volume Integrated Average）和SIA（Surface Integrated Average）。而不同的矩在求解过程中依据不同形式的控制方程使用不同的离散方法进行更新。VSIAM3格式更多的局地自由度及同时使用交错网格和同位网格的特点使浸入边界法的实施更加便利、高效。研究中，浸入边界法不仅应用于处理动力边界条件，同样可以处理热动力边界条件。 研究中对大量经典算例进行了数值实验，包括一维线性初始问题、方腔流问题、二维绕静止及振荡圆柱流动、三维绕球流动及热对流问题等。数值结果同实验值及其它计算结果保持一致，该算法可准确、高效处理具有复杂、移动边界及存在热对流的不可压流动问题，为实际应用打下了基础。

Thrust generation and wake structure of wiggling hydrofoil

Marine animals and micro-machines often use wiggling motion to generate thrust. The wiggling motion can be modeled by a progressive wave where its wavelength describes the flexibility of wiggling animals. In the present study, an immersed boundary method is used to simulate the flows around the wiggling hydrofoil NACA 65-010 at low Reynolds numbers. One can find from the numerical simulations that the thrust generation is largely determined by the wavelength. The thrust coefficients decrease with the increasing wavelength while the propulsive efficiency reaches a maximum at a certain wavelength due to the viscous effects. The thrust generation is associated with two different flow patterns in the wake: the well-known reversed Karman vortex streets and the vortex dipoles. Both are jet-type flows where the thrust coefficients associated with the reversed Karman vortex streets are larger than the ones associated with the vortex diploes.

一种基于多矩的有限体积浸入边界法

基于多矩VSIAM3格式及浸入边界法, 提出一套在复杂计算区域内求解不可压缩流动的数值格式.不可压N-S方程使用VSIAM3格式进行离散, 引入浸入边界法处理复杂、移动边界, 使用虚拟网格方法计算动量方程修正项, 同时还考虑了对连续方程的修正.使用标准算例对数值模式进行验证

Une nouvelle mise en oeuvre de la méthode IIM pour les équations de Navier-Stokes en présence d'une force singulière

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics : simulation des interfaces immergées et de la dynamique Brownienne des molécules avec des interactions hydrodynamiques

Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle méthode smoothed particle hydrodynamics (SPH) pour la résolution des équations de Navier-Stokes incompressibles, même en présence des forces singulières. Les termes de sources singulières sont traités d'une manière similaire à celle que l'on retrouve dans la méthode Immersed Boundary (IB) de Peskin (2002) ou de la méthode régularisée de Stokeslets (Cortez, 2001). Dans notre schéma numérique, nous mettons en oeuvre une méthode de projection sans pression de second ordre inspirée de Kim et Moin (1985). Ce schéma évite complètement les difficultés qui peuvent être rencontrées avec la prescription des conditions aux frontières de Neumann sur la pression. Nous présentons deux variantes de cette approche: l'une, Lagrangienne, qui est communément utilisée et l'autre, Eulerienne, car nous considérons simplement que les particules SPH sont des points de quadrature où les propriétés du fluide sont calculées, donc, ces points peuvent être laissés fixes dans le temps. Notre méthode SPH est d'abord testée à la résolution du problème de Poiseuille bidimensionnel entre deux plaques infinies et nous effectuons une analyse détaillée de l'erreur des calculs. Pour ce problème, les résultats sont similaires autant lorsque les particules SPH sont libres de se déplacer que lorsqu'elles sont fixes. Nous traitons, par ailleurs, du problème de la dynamique d'une membrane immergée dans un fluide visqueux et incompressible avec notre méthode SPH. La membrane est représentée par une spline cubique le long de laquelle la tension présente dans la membrane est calculée et transmise au fluide environnant. Les équations de Navier-Stokes, avec une force singulière issue de la membrane sont ensuite résolues pour déterminer la vitesse du fluide dans lequel est immergée la membrane. La vitesse du fluide, ainsi obtenue, est interpolée sur l'interface, afin de déterminer son déplacement. Nous discutons des avantages à maintenir les particules SPH fixes au lieu de les laisser libres de se déplacer. Nous appliquons ensuite notre méthode SPH à la simulation des écoulements confinés des solutions de polymères non dilués avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume. Le point de départ de l'algorithme est le système couplé des équations de Langevin pour les polymères et le solvant (CLEPS) (voir par exemple Oono et Freed (1981) et Öttinger et Rabin (1989)) décrivant, dans le cas présent, les dynamiques microscopiques d'une solution de polymère en écoulement avec une représentation bille-ressort des macromolécules. Des tests numériques de certains écoulements dans des canaux bidimensionnels révèlent que l'utilisation de la méthode de projection d'ordre deux couplée à des points de quadrature SPH fixes conduit à un ordre de convergence de la vitesse qui est de deux et à une convergence d'ordre sensiblement égale à deux pour la pression, pourvu que la solution soit suffisamment lisse. Dans le cas des calculs à grandes échelles pour les altères et pour les chaînes de bille-ressort, un choix approprié du nombre de particules SPH en fonction du nombre des billes N permet, en l'absence des forces d'exclusion de volume, de montrer que le coût de notre algorithme est d'ordre O(N). Enfin, nous amorçons des calculs tridimensionnels avec notre modèle SPH. Dans cette optique, nous résolvons le problème de l'écoulement de Poiseuille tridimensionnel entre deux plaques parallèles infinies et le problème de l'écoulement de Poiseuille dans une conduite rectangulaire infiniment longue. De plus, nous simulons en dimension trois des écoulements confinés entre deux plaques infinies des solutions de polymères non diluées avec une interaction hydrodynamique et des forces d'exclusion de volume.

Simulation de la nage anguilliforme

Ce document traite premièrement des diverses tentatives de modélisation et de simulation de la nage anguilliforme puis élabore une nouvelle technique, basée sur la méthode de la frontière immergée généralisée et la théorie des poutres de Reissner-Simo. Cette dernière, comme les équations des fluides polaires, est dérivée de la mécanique des milieux continus puis les équations obtenues sont discrétisées afin de les amener à une résolution numérique. Pour la première fois, la théorie des schémas de Runge-Kutta additifs est combinée à celle des schémas de Runge-Kutta-Munthe-Kaas pour engendrer une méthode d’ordre de convergence formel arbitraire. De plus, les opérations d’interpolation et d’étalement sont traitées d’un nouveau point de vue qui suggère l’usage des splines interpolatoires nodales en lieu et place des fonctions d’étalement traditionnelles. Enfin, de nombreuses vérifications numériques sont faites avant de considérer les simulations de la nage.

Simulação numérica do escoamento de jatos impingentes axissimétricos confinados

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Implementação e teste do método da fronteira imersa para a simulação do escoamento em torno de cilindros estacionários e rotativos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Simulação numérica do escoamento em difusores radiais usando o método da fronteira imersa

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)