A code is developed using the hybrid Cartesian/immersed boundary method and it is applied to simulate flows around a three-dimensional deforming body. A new criterion is suggested to distribute the immersed boundary nodes based on edges crossing a body boundary. Velocities are reconstructed at the immersed boundary nodes using the interpolation along a local normal line to the boundary. Reconstruction of the pressure at the immersed boundary node is avoided using the hybrid staggered/non-staggered grid method. The developed code is validated through comparisons with other experimental and numerical results for the velocity profiles around a circular cylinder under the forced in-line oscillation and the pressure coefficient distribution on a sphere. The code is applied to simulate the flow fields around a plate whose tail is periodically flapping under a translation. The effects of the velocity and acceleration due to the deformation on the periodic shedding of pairs of tip vortices are investigated.
In most industrial applications, the geometrical complexity is combined with the moving boundaries. These problems considerably increase the computational difficulties since they require, respectively, regeneration and deformation of the grid. As a result, engineering flow simulation is restricted. In order to solve this kind of problems the immersed boundary method was developed. In this study, the immersed boundary method is applied to the numerical simulation of stationary, rotating and oscillating cylinders in the 2-dimensional square cavity. No-slip velocity boundary conditions are given by imposing feedback forcing term to the momentum equation. Besides, this technique is used with a second-order accurate interpolation scheme in order to improve the accuracy of flow near the immersed boundaries. The governing equations for the mass and momentum using the immersed boundary method are discretized on the non-staggered grid by using the finite volume method. The results agree well with previous numerical and experimental results. This study presents the possibility of the immersed boundary method to apply to the complex flow experienced in the industrial applications. The usefulness of this method will be confirmed when we solve the complex geometries and moving bodies.
In most industrial applications, the geometrical complexity is combined with the moving boundaries. These problems considerably increase the computational difficulties since they require, respectively, regeneration and deformation of the grid. As a result, engineering flow simulation is restricted. In order to solve this kind of problems the immersed boundary method was developed. In this study, the immersed boundary method is applied to the numerical simulation of stationary, rotating and oscillating cylinders in the 2-dimensional square cavity. No-slip velocity boundary conditions are given by imposing feedback forcing term to the momentum equation. Besides, this technique is used with a second-order accurate interpolation scheme in order to improve the accuracy of flow near the immersed boundaries. The governing equations for the mass and momentum using the immersed boundary method are discretized on the non-staggered grid by using the finite volume method(FVM). This study presents the possibility of the immersed boundary method to apply to the complex flow experienced in the industrial applications.
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.
A code developed using the flux-difference splitting scheme on the hybrid Cartesian/immersed boundary method is applied to simulate three-dimensional internal waves. The material interface is regarded as a moving contact discontinuity and is captured on the basis of mass conservation without any additional treatment across the interface. Inviscid fluxes are estimated using the flux-difference splitting scheme for incompressible fluids of different density. The hybrid Cartesian/immersed boundary method is used to enforce the boundary condition for a moving three-dimensional body. Immersed boundary nodes are identified within an instantaneous fluid domain on the basis of edges crossing a boundary. The dependent variables are reconstructed at the immersed boundary nodes along local normal lines to provide the boundary condition for a discretized flow problem. The internal waves are simulated, which are generated by an pitching ellipsoid near an material interface. The effects of density ratio and location of the ellipsoid on internal waves are compared.
Study on swimming of microorganisms like, sperm motility, cilia beating, bacterial flagellar propulsion has found immense significance in the field of biological fluiddynamics. Because of the complexity involved, it is challenging for the researchers to model such problems. Immersed boundary method has proved its efficacy in the field of biological fluiddynamics, The present work aims at performing a numerical study on the microorganism locomotion using the immersed boundary method proposed by Peskin[1]. A two-dimensional model of the microorganism is modeled as thin elastic filament described as a sine wave. The neutrally buoyant organism undergoing deformations is immersed in a viscous and incompressible fluid. The fluid quantities are described using Eulerian coordinates and the immersed body is represented by Lagrangian coordinates. The Eulerian and Lagrangian variables are connected by the Dirac delta function. The Navier-Stokes equations governing the fluid flow are solved using the fractional step method on a staggered Cartesian grid system. The developed numerical code in FORTRAN will be validated by comparing the numerical results with the available results.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제20권1호
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pp.83-106
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2016
This paper reviews and compares three different methods for modeling incompressible and immiscible ternary fluid flows: the immersed boundary, level set, and phase-field methods. The immersed boundary method represents the moving interface by tracking the Lagrangian particles. In the level set method, an interface is defined implicitly by using the signed distance function, and its evolution is governed by a transport equation. In the phase-field method, the advective Cahn-Hilliard equation is used as the evolution equation, and its order parameter also implicitly defines an interface. Each method has its merits and demerits. We perform the several simulations under different conditions to examine the merits and demerits of each method. Based on the results, we determine the most suitable method depending on the specific modeling needs of different situations.
In this paper, the vortex-induced vibration of circular cylinders is studied using the immersed boundary method on the Cartesian mesh. The Reynolds numbers considered is from 100 to 200. Using the configuration of tendemly arranged multiple circular cylinders, the vortex shedding behind of the cylinders and their flow-induced motion are investigated. The staggered MAC grid arrangement, which is the typical grid system for the incompressible flow on the Cartesian meshes, is utilized. Pressure correction method is applied for solving the divergence-free incompressible velocity field. The body motion is described by immersed boundary technique that has advantages for moving object on the fixed computational domain. It is also discussed for the computational noise in hydrodynamic forces when body motion is represented by the immersed boundary method. The Predictor/Corrector method is used for simulating the nonlinear response of the elastically mounted cylinder excited by vortex-shedding.
고정된 격자시스템에서 임의형상의 불투과 경계를 갖는 물체와 유체와 연성해석이 가능한 IB(Immersed Boundary)법이 개발 된 이후로 다양한 CFD 모델에서 IB법의 활용이 증가하고 있다. 기존의 IB법의 대부분은 구조물의 경계면에서 산정되는 유체력으로부터 수치적으로 경계조건을 만족시키는 directing-forcing법이나 구조물 내부에 가상셀을 위치시켜 보간을 통해 경계조건을 만족시키는 ghost-cell법들로 알고리즘이 복잡하다. 본 연구에서는 고정된 격자시스템에서 가동물체형 구조물 해석이 가능함과 더불어 3차원으로의 확장도 용이한 SIB(Simplified Immersed Boundary)법을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 SIB법은 각 상(phase)의 밀도함수가 국소질량의 중심과 함께 이동하는 것으로 가정한 단일유체모델(one-field model for immiscible two-phase fluid)을 기초로 하였다. 또한 이동하는 고체상태의 구조물을 취급하기 위해 고체의 밀도함수를 이용한 체적가중평균법을 적용하고, 수치확산을 방지하기 위해 이류계산에는 CIP법을 적용하였다. 제안된 SIB법의 해석성능을 검토하기 위해 자유수면으로 낙하하는 물체에 대한 수치모의를 수행하였다. 수치해석결과는 자유수면으로 낙하하는 물체를 양호하게 재현하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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