Una Revisión de Algoritmos Monolíticos Implícitos para Sólidos Compresibles Inmersos Dentro de un Líquido Compresible
Autores: Wang, Sheldon
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Una Revisión de Algoritmos Monolíticos Implícitos para Sólidos Compresibles Inmersos Dentro de un Líquido Compresible
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Desarrollo
Dinámica de Fluidos Computacional
Interacción Fluido-Estructura
Enfoques monolíticos
Método de frontera sumergida
Sólidos compresibles
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Citaciones: Sin citaciones
Con el desarrollo de herramientas maduras de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para fluidos (aire y líquido) y Métodos de Elementos Finitos (FEM) para sólidos y estructuras, se han propuesto muchos enfoques para abordar los problemas de Interacción Fluido-Estructura o Interacción Fluido-Sólido (FSI). A menudo se utilizan iteraciones tradicionales particionadas para vincular los códigos FEM disponibles con los códigos CFD en el estudio de sistemas FSI. Aunque estos procedimientos son convenientes, los ajustes de la malla de fluidos de acuerdo con el movimiento y la deformación finita de sólidos o estructuras sumergidos pueden ser desafiantes o incluso prohibitivos. Además, los comportamientos dinámicos complejos de los sistemas FSI acoplados a menudo se pierden en estos procesos iterativos. En este artículo, el autor desea revisar los llamados enfoques monolíticos para la solución de sistemas FSI acoplados en su totalidad en el contexto del método de frontera sumergida. En particular, el enfoque está en el algoritmo monolítico implícito para sólidos compresibles sumergidos dentro de un líquido compresible. Aquí, el enfoque principal de este artículo es el líquido o, más precisamente, la fase líquida del agua como fluido de trabajo. Al usar la palabra líquido, el autor desea enfatizar la consideración de la compresibilidad del fluido y la suposición de densidad y temperatura constantes. Es una práctica común suponer que las variaciones de presión no son lo suficientemente fuertes como para alterar la densidad del líquido de manera significativa en problemas de interacciones acústicas fluido-sólido. Aunque el algoritmo presentado en este artículo no es directamente aplicable a la aerodinámica en la que el cambio de densidad es significativo junto con su relación con la presión y la temperatura, el autor revisó su trabajo anterior sobre la fusión de conceptos del método de frontera sumergida con un código aerodinámico completamente desarrollado basado en un esquema compacto de alto orden y una forma conservativa de las ecuaciones gobernantes. En el algoritmo propuesto, sobre una malla de fondo uniforme (fantasma), se implementa un método sumergido completamente implícito con métodos de elementos finitos mixtos para líquido compresible, así como sólidos compresibles sumergidos con un esquema de solución iterativa de Newton-Krylov sin matriz. En este enfoque monolítico, con la simple función módulo, los puntos del sólido o estructura sumergidos pueden ser fácilmente localizados y, por lo tanto, las proyecciones de desplazamiento y las distribuciones de fuerza estipuladas en el método de frontera sumergida pueden ser implementadas de manera efectiva y eficiente. Esta característica, junto con el concepto clave del método de frontera sumergida, ayuda a evitar ajustes de malla topológicamente desafiantes e incorporar comandos de procesamiento paralelo como la Interfaz de Paso de Mensajes (MPI) y una mayor vectorización de la operación numérica. Una vez que estos procedimientos de alto rendimiento se implementan junto con el esquema iterativo de Newton-Krylov monolítico sin matriz con métodos sumergidos, se pueden emplear técnicas de modelado de orden reducido efectivas y eficientes para explorar espacios de fase y paramétricos. Los programas desarrollados internamente son en este momento bidimensionales. Además, basado en el mismo enfoque implementado en un ejemplo de prueba unidimensional con un continuo sumergido en otro continuo, dicho enfoque iterativo monolítico implícito sin matriz de Newton-Krylov puede extenderse para el estudio de compuestos con agregados deformables y matriz.
Descripción
Con el desarrollo de herramientas maduras de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para fluidos (aire y líquido) y Métodos de Elementos Finitos (FEM) para sólidos y estructuras, se han propuesto muchos enfoques para abordar los problemas de Interacción Fluido-Estructura o Interacción Fluido-Sólido (FSI). A menudo se utilizan iteraciones tradicionales particionadas para vincular los códigos FEM disponibles con los códigos CFD en el estudio de sistemas FSI. Aunque estos procedimientos son convenientes, los ajustes de la malla de fluidos de acuerdo con el movimiento y la deformación finita de sólidos o estructuras sumergidos pueden ser desafiantes o incluso prohibitivos. Además, los comportamientos dinámicos complejos de los sistemas FSI acoplados a menudo se pierden en estos procesos iterativos. En este artículo, el autor desea revisar los llamados enfoques monolíticos para la solución de sistemas FSI acoplados en su totalidad en el contexto del método de frontera sumergida. En particular, el enfoque está en el algoritmo monolítico implícito para sólidos compresibles sumergidos dentro de un líquido compresible. Aquí, el enfoque principal de este artículo es el líquido o, más precisamente, la fase líquida del agua como fluido de trabajo. Al usar la palabra líquido, el autor desea enfatizar la consideración de la compresibilidad del fluido y la suposición de densidad y temperatura constantes. Es una práctica común suponer que las variaciones de presión no son lo suficientemente fuertes como para alterar la densidad del líquido de manera significativa en problemas de interacciones acústicas fluido-sólido. Aunque el algoritmo presentado en este artículo no es directamente aplicable a la aerodinámica en la que el cambio de densidad es significativo junto con su relación con la presión y la temperatura, el autor revisó su trabajo anterior sobre la fusión de conceptos del método de frontera sumergida con un código aerodinámico completamente desarrollado basado en un esquema compacto de alto orden y una forma conservativa de las ecuaciones gobernantes. En el algoritmo propuesto, sobre una malla de fondo uniforme (fantasma), se implementa un método sumergido completamente implícito con métodos de elementos finitos mixtos para líquido compresible, así como sólidos compresibles sumergidos con un esquema de solución iterativa de Newton-Krylov sin matriz. En este enfoque monolítico, con la simple función módulo, los puntos del sólido o estructura sumergidos pueden ser fácilmente localizados y, por lo tanto, las proyecciones de desplazamiento y las distribuciones de fuerza estipuladas en el método de frontera sumergida pueden ser implementadas de manera efectiva y eficiente. Esta característica, junto con el concepto clave del método de frontera sumergida, ayuda a evitar ajustes de malla topológicamente desafiantes e incorporar comandos de procesamiento paralelo como la Interfaz de Paso de Mensajes (MPI) y una mayor vectorización de la operación numérica. Una vez que estos procedimientos de alto rendimiento se implementan junto con el esquema iterativo de Newton-Krylov monolítico sin matriz con métodos sumergidos, se pueden emplear técnicas de modelado de orden reducido efectivas y eficientes para explorar espacios de fase y paramétricos. Los programas desarrollados internamente son en este momento bidimensionales. Además, basado en el mismo enfoque implementado en un ejemplo de prueba unidimensional con un continuo sumergido en otro continuo, dicho enfoque iterativo monolítico implícito sin matriz de Newton-Krylov puede extenderse para el estudio de compuestos con agregados deformables y matriz.