An energy stable one-field monolithic arbitrary Lagrangian–Eulerian formulation for fluid–structure interaction

Autor: Olivier Pironneau, Yongxing Wang, Mark A. Walkley, Peter K. Jimack
Přispěvatelé: School of Mathematics [Leeds], University of Leeds, Laboratoire Jacques-Louis Lions (LJLL), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), School of Mathematics - University of Leeds
Rok vydání: 2020
Předmět:
FOS: Computer and information sciences
fluid structure interaction
Field (physics)
arbitrary Lagrangian-Eulerian
Computer science
one field
02 engineering and technology
[PHYS.MECA.SOLID]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of the solides [physics.class-ph]
01 natural sciences
ACM: G.: Mathematics of Computing
Domain (mathematical analysis)
Displacement (vector)
010305 fluids & plasmas
Computational Engineering
Finance
and Science (cs.CE)
symbols.namesake
Mathematics - Analysis of PDEs
0203 mechanical engineering
energy stable
[PHYS.MECA.SOLID]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Solid mechanics [physics.class-ph]
0103 physical sciences
Fluid–structure interaction
FOS: Mathematics
[MATH.MATH-AP]Mathematics [math]/Analysis of PDEs [math.AP]
Applied mathematics
[PHYS.MECA.MEFL]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Fluid mechanics [physics.class-ph]
Computer Science - Computational Engineering
Finance
and Science
ComputingMethodologies_COMPUTERGRAPHICS
[PHYS.MECA.MEFL]Physics [physics]/Mechanics [physics]/Mechanics of the fluids [physics.class-ph]
Mechanical Engineering
[PHYS.MECA]Physics [physics]/Mechanics [physics]
[INFO.INFO-NA]Computer Science [cs]/Numerical Analysis [cs.NA]
Finite element method
020303 mechanical engineering & transports
monolithic scheme
finite element
symbols
Gaussian quadrature
Vector field
[MATH.MATH-NA]Mathematics [math]/Numerical Analysis [math.NA]
Energy (signal processing)
Analysis of PDEs (math.AP)
Zdroj: Journal of Fluids and Structures
Journal of Fluids and Structures, Elsevier, In press
ISSN: 0889-9746
1095-8622
DOI: 10.1016/j.jfluidstructs.2020.103117
Popis: International audience; In this article we present a one-field monolithic finite element method in the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation for Fluid-Structure Interaction (FSI) problems. The method only solves for one velocity field in the whole FSI domain, and it solves in a monolithic manner so that the fluid solid interface conditions are satisfied automatically. We prove that the proposed scheme is unconditionally stable, through energy analysis, by utilising a conservative formulation and an exact quadrature rule. We implement the algorithm using both F-scheme and d-scheme, and demonstrate that the former has the same formulation in two and three dimensions. Finally several numerical examples are presented to validate this methodology, including combination with remesh techniques to handle the case of very large solid displacement.; Dans cet article, nous présentons une méthode d'éléments finis monolithiques à un champ dans la formulation arbitraire lagrangienne-eulérienne (ALE) pour les problèmes d'interaction fluide-structure (FSI). Le procédé ne résout que pour un champ de vitesse dans tout le domaine FSI, et il le résout de manière monolithique de sorte que les conditions d'interface fluide-solide sont satisfaites automatiquement. Nous prouvons que le schéma proposé est énergétiquement inconditionnellement stable, en utilisant une formulation conservatrice et une règle de quadrature exacte. Nous implémentons l'algorithme en utilisant 2 schémas F et d, et démontrons que le premier a la même formulation en deux et trois dimensions. Enfin, plusieurs exemples numériques sont présentés pour valider cette méthodologie, notamment la combinaison avec des techniques de remaillage pour traiter le cas de très grand déplacements des solides.
Databáze: OpenAIRE
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