Investigación numérica de objetos en caída libre utilizando el método de frontera inmersa de fuerza directa
Autores: You, Cheng-Shu; Chern, Ming-Jyh; Noor, Dedy Zulhidayat; Horng, Tzyy-Leng
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2020
Acceso abierto
Artículo científico
2020
Investigación numérica de objetos en caída libre utilizando el método de frontera inmersa de fuerza directa
Categoría
Matemáticas
Subcategoría
Matemáticas generales
Palabras clave
Interacción fluido-estructura
Objetos sólidos
Fluido newtoniano
Ecuaciones de Navier-Stokes
Método de frontera inmersa de fuerza directa
Ecuaciones de movimiento
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 35
Citaciones: Sin citaciones
La interacción fluido-estructura de objetos sólidos que caen libremente en un fluido newtoniano fue investigada numéricamente mediante el método de frontera inmersa de forzamiento directo (DFIB). Las ecuaciones de Navier-Stokes se acoplan con las ecuaciones de movimiento a través de una fuerza virtual para describir el movimiento de los objetos sólidos. Aquí, derivamos rigurosamente las ecuaciones de movimiento mediante la integración del volumen de control de la ecuación de momento. El método fue validado por un ejemplo de prueba numérica popular que describe el flujo 2D causado por la caída libre de un disco circular dentro de un tanque de fluido, así como por mediciones experimentales 3D en la sedimentación de una esfera. Luego, demostramos el método con algunos ejemplos adicionales de sedimentación en 2D: (1) caída libre de dos discos circulares en tándem que muestran fenómenos de drafting, kissing y tumbling; (2) sedimentación de múltiples discos circulares; (3) caída libre de un triángulo regular, en el que la rotación del objeto sólido es significativa; (4) caída libre de una elipse en caída para imitar la caída de una hoja. En el último ejemplo, encontramos patrones de caída variados que exhiben fluttering, tumbling y caída caótica.
Descripción
La interacción fluido-estructura de objetos sólidos que caen libremente en un fluido newtoniano fue investigada numéricamente mediante el método de frontera inmersa de forzamiento directo (DFIB). Las ecuaciones de Navier-Stokes se acoplan con las ecuaciones de movimiento a través de una fuerza virtual para describir el movimiento de los objetos sólidos. Aquí, derivamos rigurosamente las ecuaciones de movimiento mediante la integración del volumen de control de la ecuación de momento. El método fue validado por un ejemplo de prueba numérica popular que describe el flujo 2D causado por la caída libre de un disco circular dentro de un tanque de fluido, así como por mediciones experimentales 3D en la sedimentación de una esfera. Luego, demostramos el método con algunos ejemplos adicionales de sedimentación en 2D: (1) caída libre de dos discos circulares en tándem que muestran fenómenos de drafting, kissing y tumbling; (2) sedimentación de múltiples discos circulares; (3) caída libre de un triángulo regular, en el que la rotación del objeto sólido es significativa; (4) caída libre de una elipse en caída para imitar la caída de una hoja. En el último ejemplo, encontramos patrones de caída variados que exhiben fluttering, tumbling y caída caótica.