The Immersed boundary method(IBM) is one of CFD techniques which can simulate flow field around complex objectives using simple Cartesian grid system. In the previous studies the IBM has mostly been implemented to fractional step method based Navier-Stokes solvers. In these cases, pressure buildup near IB was found to occur when linear interpolation and stadard mass conservation is used and the interpolation scheme became complicated when higher order of interpolation is adopted. In this study, we implement the IBM to an incompressible Navier-Stokes solver which uses SIMPLE algorithm. Bi-linear and quadratic interpolation equations were formulated by using only geometric information of boundary to reconstruct velocities near IB. Flow around 2D circular cylinder at Re=40 and 100 was solved by using these formulations. It was found that the pressure buildup was not observed even when the bi-linear interpolation was adopted. The use of quadratic interpolation made the predicted aerodynamic forces in good agreement with those of previous studies.
Immersed boundary method(IBM) is a numerical scheme proposed to simulate flow field around complex objectives using simple Cartesian grid system. In the previous studies, the IBM has mostly been implemented to fractional step method based Navier-Stokes solvers. In this study, we implement the IBM to an incompressible Navier-Stokes solver which uses SIMPLE algorithm. The weight coefficients of the bi-linear and quadratic interpolation equations were formulated by using only geometric information of boundary to reconstruct velocities near IB. Flow around 2D circular cylinder at Re=40 and 100 was solved by using these formulations. It was found that the pressure buildup was not observed even when the bi-linear interpolation was adopted. The use of quadratic interpolation made the predicted aerodynamic forces in good agreement with those of previous studies. For an analysis of moving boundary, we smulated an oscillating circular cylinder with Re=100 and KC(Keulegan-Carpenter) number of 5. The predicted flow fields were compared with experimental data and they also showed good agreements.
Circular-to-rectangular transition ducts are used as exhaust components of high performance fighter aircraft with vectored thrust nozzles. Three-dimensional incompressible Navier-Stokes solver is used to analyze the transition duct. Cross sections of transition duct are defined by superelliptic equation. The grid system is generated by Non-Uniform Rational B-Spline, after generating surface grid by blending the cross sections. Good agreement between the results of the computational simulation and the experimental data is observed.
The characteristics of compressible flow are different from those of incompressible flow from the mathematical and physical point of view. Therefore, the way to solve the flowfield is different between compressible flow and incompressible flow. In general, density-based numerical algorithm is mainly used for compressible flow solver development. On the other hand, incompressible flow solver prefers to use pressure-based numerical algorithm. In this research, a compressible Navier-Stokes flow solver is developed by means of extending from pressure-based incompressible numerical algorithm to handle both compressible and incompressible flows using the same flow solver. The present flow solver is tested at various speed ranges and compared with the solutions of density-based compressible flow solver. Numerical results show a good agreement between two flow solvers.
Numerical boundary conditions are as important as the governing equations when analyzing the fluid flows numerically. An explicit boundary condition method updates the solutions at the boundaries with extrapolation from the interior of the computational domain, while the implicit boundary condition method in conjunction with an implicit time integration method solves the solutions of the entire computational domain including the boundaries simultaneously. The implicit boundary condition method, therefore, is more robust than the explicit boundary condition method. In this paper, steady compressible 2-Dimensional Navier-Stokes solver is developed. We present the implicit boundary condition method coupled with LU-SGS(Lower Upper Symmetric Gauss Seidel) method. Also, the explicit boundary condition method is implemented for comparison. The preconditioning Navier-Stokes equations are solved on unstructured meshes. The numerical computations for a number of flows show that the implicit boundary condition method can give accurate solutions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.11
no.5
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pp.755-761
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1987
Two-Dimensional incompressible laminar boundary layer with the reversed flow region is computed using the parially parabolized Navier-Stokes equations in primitive variables. The velocities and the pressure are explicity coupled in the difference equation and the resulting penta-diagonal matrix equations are solved by a streamwise marching technique. The test calculations for the trailing edge region of a finite flat plate and Howarth's linearly retarding flows demonstrate that the method is accurate, efficient and capable of predicting the reversed flow region.
The Pressure-based Unstructured-grid Navier-Stokes Solver PUNS-2/3D for incompressible steady and unsteady viscous flows has been developed. It is based on nonstaggered cell-centered finite volume method. Second-order upwind scheme with least-square reconstruction is used for convective fluxes. The SIMPLE method is implemented to couple the pressure and velocity fields. And the time derivatives in the momentum equations are discretised using a second-order Euler backward-differencing scheme. The discretised linear equations are solved by the preconditioned Biconjugate Gradient Stabilized method(Bi-CGSTAB). The developed solver is applied to validation problems using hybrid meshes.
In this article, combination of the FAS-FMG multi-grid method and the Krylov subspace method was presented in solving two dimensional driven-cavity flows. Three algorithms of the Krylov subspace method, CG, CGSTAB(Bi-CG Stabilized) and GMRES method were tested with MILU preconditioner. As a smoother of the pressure correction equation, the MILU-CG is recommended rather than MILU-GMRES(k) or MILU-CGSTAB, since the MILU-GMRES(k) preconditioner has too much computation on the coarse grid compared to the MILU-CG one. As for the momentum equation, relatively cheap smoother like SIP solver may be sufficient.
An unstructured hybrid mesh flow solver has been developed for the simulations of three dimensional steady and unsteady incompressible flow fields. The incompressible Navier-Stokes equations with an artificial compressibility method were discretized by using a node-based finite-volume method. For the unsteady time-accurate computation, a dual-time stepping method was adopted to satisfy a divergence free flow field at each physical time step. The one equation Spalart-Allmaras turbulence model has been adopted to solve the high-Reynolds number flow fields. This method has been applied to calculate the steady flow fields around submarine configurations and unsteady flow fields around a 3-D infinite cylinder.
The gridless (or meshfree) methods, such as MPS, SPH, FPM an so forth, are feasible and robust for the problems with moving boundary and/or complicated boundary shapes, because these methods do not need to generate a grid system. In this study, a gridless solver, which is based on the combination of moving least square interpolations on a cloud of points with point collocation for evaluating the derivatives of governing equations, is presented for two-dimensional unsteady incompressible Navier-Stokes problem in the low Reynolds number. A MAC-type algorithm was adopted and the Poission equation for the pressure was solved successively in the moving least square sense. Some typical problems were solved by the presented solver for the validation and the results obtained were compared with analytic solutions and the numerical results by conventional CFD methods, such as a FVM.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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