Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
A stable fluid-structure-interaction solver for low-density rigid bodies using the immersed boundary projection method
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mechanics. KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Centres, Linné Flow Center, FLOW.ORCID iD: 0000-0003-3094-0848
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Mechanics. KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Centres, Linné Flow Center, FLOW.ORCID iD: 0000-0002-8209-1449
2016 (English)In: Journal of Computational Physics, ISSN 0021-9991, E-ISSN 1090-2716, Vol. 305, 300-318 p.Article in journal (Refereed) Published
Resource type
Text
Abstract [en]

Dispersion of low-density rigid particles with complex geometries is ubiquitous in both natural and industrial environments. We show that while explicit methods for coupling the incompressible Navier-Stokes equations and Newton's equations of motion are often sufficient to solve for the motion of cylindrical particles with low density ratios, for more complex particles - such as a body with a protrusion - they become unstable. We present an implicit formulation of the coupling between rigid body dynamics and fluid dynamics within the framework of the immersed boundary projection method. Similarly to previous work on this method, the resulting matrix equation in the present approach is solved using a block-LU decomposition. Each step of the block-LU decomposition is modified to incorporate the rigid body dynamics. We show that our method achieves second-order accuracy in space and first-order in time (third-order for practical settings), only with a small additional computational cost to the original method. Our implicit coupling yields stable solution for density ratios as low as 10(-4). We also consider the influence of fictitious fluid located inside the rigid bodies on the accuracy and stability of our method.

Place, publisher, year, edition, pages
Academic Press, 2016. Vol. 305, 300-318 p.
Keyword [en]
Immersed boundary method, Fictitious fluid, Newton's equations of motion, Implicit coupling, Low density ratios, Complex particles
National Category
Physical Sciences Computer Science
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-180478DOI: 10.1016/j.jcp.2015.10.041ISI: 000366156600016Scopus ID: 2-s2.0-84946595242OAI: oai:DiVA.org:kth-180478DiVA: diva2:895249
Note

QC 20160118

Available from: 2016-01-18 Created: 2016-01-14 Last updated: 2016-11-07Bibliographically approved
In thesis
1. Models of porous, elastic and rigid materials in moving fluids
Open this publication in new window or tab >>Models of porous, elastic and rigid materials in moving fluids
2016 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Modeller av porösa, elastiska och stela material i strömmande fluider
Abstract [en]

Tails, fins, scales, and surface coatings are used by organisms for various tasks, including locomotion. Since millions of years of evolution have passed, we expect that the design of surface structures is optimal for the tasks of the organism. These structures serve as an inspiration in this thesis to identify new mechanisms for flow control. There are two general categories of fluid-structure-interaction mechanisms. The first is active interaction, where an organism actively moves parts of the body or its entire body in order to modify the surrounding flow field (e.g., birds flapping their wings). The second is passive interaction, where appendages or surface textures are not actively controlled by the organism and hence no energy is spent (e.g., feathers passively moving in the surrounding flow). Our aim is to find new passive mechanisms that interact with surrounding fluids in favourable ways; for example, to increase lift and to decrease drag.

In the first part of this work, we investigate a simple model of an appendage (splitter plate) behind a bluff body (circular cylinder or sphere). If the plate is sufficiently short and there is a recirculation region behind the body, the straight position of the appendage becomes unstable, similar to how a straight vertical position of an inverted pendulum is unstable under gravity. We explain and characterize this instability using computations, experiments and a reduced-order model. The consequences of this instability are reorientation (turn) of the body and passive dispersion (drift with respect to the directionof the gravity). The observed mechanism could serve as a means to enhance locomotion and dispersion for various motile animals and non-motile seeds.

In the second part of this thesis, we look into effective models of porous and poroelastic materials. We use the method of homogenization via multi-scale expansion to model a poroelastic medium with a continuum field. In particular, we derive boundary conditions for the velocity and the pressure at the interface between the free fluid and the porous or poroelastic material. The results obtained using the derived boundary conditions are then validated with respect to direct numerical simulations (DNS) in both two-dimensional and three-dimensional settings. The continuum model – coupled with the necessary boundary conditions – gives accurate predictions for both the flow field and the displacement field when compared to DNS.

Abstract [sv]

Många djur använder sig av fjäll, päls, hår eller fjädrar för att öka sin förmåga att förflytta sig i luft eller vatten. Eftersom djuren har genomgått miljontals år av evolution, kan man förvänta sig att ytstrukturernas form är optimala för organismens uppgifter. Dessa strukturer tjänar som inspiration i denna avhandling för att identifiera nya mekanismer för manipulering av strömning.

Samverkan mellan fluider och strukturer (så kallad fluid-struktur-interaktion) kan delas upp i två kategorier. Den första typen av samverkan är aktiv, vilket innebär att en organism aktivt rör hela eller delar av sin kropp för att manipulera det omgivande strömningsfältet (till exempel fåglar som flaxar sina vingar). Den andra typen är passiv samverkan, där organismer har utväxter (svansar, fjärdar, etc.) eller ytbeläggningar som de inte aktivt har kontroll över och som således inte förbrukar någon energi. Ett exempel är fjädrar som passivt rör sig i det omgivande flödet. Vårt mål är att hitta nya passiva mekanismer som växelverkar med den omgivande fluiden på ett fördelaktigt sätt, exempelvis genom att öka lyftkraften eller minska luftmotståndet.

I den första delen av detta arbete undersöker vi en enkel modell för en utväxt (i form av en platta) bakom en cirkulär cylinder eller sfär. Om plattan är tillräckligt kort och om det finns ett vak bakom kroppen kommer det upprätta läget av plattan att vara instabilt. Denna instabilitet är i princip samma som uppstår då man försöker balansera en penna på fingret. Vi förklarar den bakomliggande mekanismen av denna instabilitet genom numeriska beräkningar, experiment och en enkel modell med tre frihetsgrader. Konsekvenserna av denna instabilitet är en omorientering (rotation) av kroppen och en sidledsförflyttning av kroppen i förhållande till tyngdkraftens riktning. Denna mekanism kan användas djur och frön för att öka deras förmåga att förflytta eller sprida sig i vatten eller luft.

I den andra delen av avhandlingen studerar vi modeller av porösa och elastiska material. Vi använder en mångskalig metod för att modellera det poroelastiska materialet som ett kontinuum. Vi härleder randvillkor för både hastighetsfältet och trycket på gränssnittet mellan den fria fluiden och det poroelastiska materialet. Resultaten som erhållits med de härledda randvillkoren valideras sedan genom direkta numeriska simuleringar (DNS) för både två- och tredimensionella fall. Kontinuumsmodellen av materialet kopplad genom randvillkoren till den fria strömmande fluiden predikterar strömnings- och förskjutningsfält noggrant i jämförelse med DNS.

Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2016. 55 p.
Series
TRITA-MEK, ISSN 0348-467X ; 2016:15
Keyword
fluid-structure-interaction, flow control, passive appendages, homogenization, poroelastic coatings, separated flows, surface-fluid interface, fluid-struktur-interaktion, flödeskontroll, passiva utväxter, homogenisering, ytbeläggning, separerade strömning, ytbeläggning-strömning gränssnitt
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Research subject
Engineering Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-195679 (URN)978-91-7729-140-4 (ISBN)
Public defence
2016-12-02, Kollegisalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Research Council, VR-2010- 3910,VR-2014-5680Göran Gustafsson Foundation for promotion of scientific research at Uppala University and Royal Institute of Technology
Available from: 2016-11-08 Created: 2016-11-07 Last updated: 2016-11-10Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Search in DiVA

By author/editor
Lacis, UgisBagheri, Shervin
By organisation
MechanicsLinné Flow Center, FLOW
In the same journal
Journal of Computational Physics
Physical SciencesComputer Science

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

Altmetric score

Total: 194 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf