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Método de Lattice Boltzmann de Momento Central Tridimensional en una Red de Cuboide para Flujos Anisotrópicos e Inhomogéneos

Autores: Yahia, Eman; Schupbach, William; Premnath, Kannan N.

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2021

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Acceso abierto

Artículo científico
2021

Método de Lattice Boltzmann de Momento Central Tridimensional en una Red de Cuboide para Flujos Anisotrópicos e Inhomogéneos


Categoría

Ingeniería y Tecnología

Subcategoría

Ingeniería Mecánica

Palabras clave

Lattice boltzmann
Redes cúbicas
Algoritmos lb
Momentos centrales
Relaciones de aspecto de la cuadrícula
Tensor de esfuerzo viscoso

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 1

Citaciones: Sin citaciones


Descripción
Los métodos de Lattice Boltzmann (LB) se desarrollan generalmente en redes cúbicas que discretizan el espacio de configuración utilizando rejillas uniformes. Para cálculos eficientes de flujos anisotrópicos e inhomogéneos, sería beneficioso desarrollar algoritmos LB que involucren los pasos de colisión y corriente basados en redes de cuboides ortorrómbicos. Presentamos un nuevo esquema LB de momento central 3D basado en una red D3Q27 de cuboides. Este esquema involucra dos parámetros libres que representan las proporciones de las velocidades características de las partículas a lo largo de las dos direcciones con respecto a las de la dirección restante, y estos parámetros se denominan relaciones de aspecto de la rejilla. A diferencia de los esquemas LB existentes para redes de cuboides, que se basan en momentos crudos ortogonalizados, construimos el paso de colisión basado en la relajación de momentos centrales y evitamos la ortogonalización de la base de momentos, lo que conduce a una formulación más robusta. Además, los algoritmos LB de cuboides anteriores prescriben las asignaciones entre las funciones de distribución y los momentos crudos antes y después de la colisión utilizando una base de momentos diseñada para separar la traza de los momentos de segundo orden (relacionados con la viscosidad volumétrica) de sus otros componentes (relacionados con la viscosidad de corte), lo que lleva a relaciones engorrosas para las transformaciones. Por el contrario, en nuestro enfoque, los efectos de viscosidad volumétrica y de corte asociados con el tensor de esfuerzo viscoso se segregan naturalmente solo dentro del paso de colisión y no para tales asignaciones, mientras que las relaciones de aspecto de la rejilla se introducen a través de matrices de escalado diagonal más simples antes y después de la colisión en las asignaciones anteriores. Esto conduce a un enfoque compacto, que puede interpretarse en función de matrices especiales. También resulta en un esquema LB 3D modular en la red de cuboides, que permite que las implementaciones existentes de redes cúbicas se extiendan fácilmente a aquellas basadas en redes de cuboides más generales. Para mantener la isotropía del tensor de esfuerzo viscoso de las ecuaciones de Navier-Stokes 3D utilizando la red de cuboides, se derivan correcciones para eliminar los errores de truncamiento resultantes de la anisotropía de la rejilla, así como aquellos de los efectos de aliasing, utilizando un análisis de Chapman-Enskog. Tales correcciones locales, que involucran los componentes diagonales del tensor de gradiente de velocidad y están parametrizadas por dos relaciones de aspecto de la rejilla, aumentan los equilibrios de momentos de segundo orden en el paso de colisión. Presentamos un estudio numérico que valida la precisión de nuestro enfoque para varios problemas de referencia a diferentes relaciones de aspecto de la rejilla. Además, mostramos que nuestro método LB de momento central de cuboides 3D es numéricamente más robusto que su formulación correspondiente de momentos crudos. Finalmente, demostramos la efectividad del esquema LB de momento central de cuboides 3D para las simulaciones de flujos anisotrópicos e inhomogéneos y mostramos ahorros significativos en almacenamiento de memoria y costo computacional cuando se utiliza en lugar de aquel basado en la red cúbica.

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