FREE BOUNDARY METHOD FOR COUPLED PROBLEMS OF GAS AND SOLID DYNAMICS

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

This paper presents a new approach to numerical modeling of gas flow around stationary and moving rigid bodies, allowing for the use of Eulerian grids that are not tied to the geometry of the body. The bodies are assumed to be absolutely rigid and undeformable, with their elastic properties disregarded. The gas is inviscid and non-heat-conducting, described by compressible fluid equations. The proposed approach is based on averaging the equations of the original model over a small spatial filter. This results in a system of averaged equations that includes an additional quantity — the solid volume fraction parameter — whose spatial distribution digitally represents the geometry of the body (analogous to an order function). This system of equations operates across the entire space. Under this approach, the standard boundaryvalue problem within the gas region is effectively reduced to a Cauchy problem over the entire space. For a one-dimensional model, the numerical solution of the averaged equations is considered using Godunov’s method. In intersected cells, a discontinuous solution is introduced, leading to a compound Riemann problem that describes the decay of the initial discontinuity in the presence of a confining wall. It is shown that the approximation of the numerical flux for the compound Riemann problem solution ensures transport of the order function without numerical dissipation.

About the authors

I. S Menshov

Keldysh Institute of Applied Mathematics of the Russian Academy of Sciences

Email: menshov@kiam.ru
Moscow, Russia

References

  1. Годунов С. К., Забродин А. В., Иванов М. Я., Крайко А. Н., Прокопов Г. П. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М. : Издательство «Наука», 1976. 400 с.
  2. Rider W. J., Kother D. B. Reconstructing volume tracking // J. Comput. Phys. 1998. V 141. P. 112—152.
  3. Hirt C. W., Nichols B. D. Volume of fluid (VOF) method for dynamics of free boundaries // J. Comput. Phys. 1981. V 39. P. 201-225 .
  4. Osher S., Sethian J. Fronts propagating with curvature-dependent speed: algorithms based on Hamilton-Jacobi formulations// J. Comput. Phys. 1988. V. 79. P. 12-49.
  5. Mulder W., Osher S., Sethian J. Computing interface motion in compressible gas dynamics //J. Comput. Phys. 1992. V. 100. P. 209-228.
  6. Mittal R., Iaccarino G. Immersed boundary methods//Annual Review of Fluid Mechanics. 2005. V. 37. P. 239-261.
  7. Sambasivan S. K., Udaykumar H. S. Ghost fluid method for strong shock interactions. Part 2: Immersed solid boundaries// AIAA J. 2009. V. 47. P. 2923-2937.
  8. Baer M., Nunziato J. A two-phase mixture theory for the deflagration-to-detonation transition (DDT) in reactive granular materials //J. Multiph Flow. 1986. V. 12. P. 861-89.
  9. Favrie N., Gavrilyuk S., Saurel R. Solid-fluid diffuse interface model in cases of extreme deformations //J. Comput. Phys. 2009. V. 228. P. 6037-6077 .
  10. Ndanou S., Favrie N., Gavrilyuk S. Multi-solid and multi-fluid diffuse interface model: applications to dynamic fracture and fragmentation // J. Comput. Phys. 2015. V. 295. P. 523-555.
  11. Favrie N., Gavrilyuk S. Diffuse interface model for compressible fluid—compressible elastic-plastic solid interaction // J. Comput. Phys. 2012. V. 231. P. 2695-2723 .
  12. Kemm F., Gaburro E., Thein F., Dumbser M. A simple diffuse interface approach for compressible flows around moving solids of arbitrary shape based on a reduced Baer—Nunziato model. Computers and Fluids. 2020. V 204. P. 104—536
  13. Dal Maso G., LeFloch P., Murat F. Definition and weak stability of nonconservative products// J. Math. Pures Appl. 1995. V 74. P. 483-548.
  14. Peskin C. Flow patterns around heart valves: a numerical method //J. Comput. Phys. 1972. V 10. P. 252-271.
  15. Angot P., Bruneau C. H., Fabrie P. A penalization method to take into account obstacles in incompressible viscous flows // Numer. Math. 1999. V. 81. P. 497-520.
  16. Абалакин И. В., Васильев О. В., Жданова Н. С. , Козубская Т. К. Метод характеристических штрафных функций для численного моделирования сжимаемых течений на неструктурированных сетках // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2021. Т. 61. № 8. C. 1336-1352.
  17. Меньшов И. С., Корнев М. А. Метод свободной границы для численного решения уравнений газовой динамики в областях с изменяющейся геометрией // Матем. моделирование. 2014. T. 26. № 5. С. 99-112.
  18. Меньшов И. С., Павлухин П.В. Эффективный параллельный метод сквозного счета задач аэродинамики на несвязных декартовых сетках // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2016. Т. 56. № 9. С. 1677-1691.
  19. Годунов С.К. Разностный метод численного расчета разрывных решений уравнений гидродинамики // Матем. сборник. 1957. 47:3. С. 271-306.
  20. Igor Menshov, Pavel Zakharov. On the composite Riemann problem for multi-material fluid flows // Internat. Journal for Numerical Methods in Fluids.2014. V. 76(2). P.109-127.
  21. Menshov I. S., Serezhkin I. S. Numerical Model of Multiphase Flows Based on Sub-Cell Resolution of Fluid Interfaces // Comput. Math.and Math. Phys. 2022. V. 62. No. 10. Р. 1723-1742.
  22. Chao Zhang, Igor Menshov. Using the composite Riemann problem solution for capturing interfaces in compressible two-phase flows // Appl. Math.and Comput. 2019. V. 363 .
  23. Toro E. Riemann solvers and numerical methods for fluid dynamics. Springer. 2009. Р. 719.
  24. Batten P., Clarke N., Lambert C., Causon D.M. On the choice of wavespeeds for the HLLC Riemann solver. 1997. V. 18. No6. P. 1553-1570.
  25. Sod G. A. A Survey of Several Finite Difference Methods for Systems of Nonlinear Hyperbolic Conservation Laws // J. Comput. Phys. 1978 V. 27 (1): Р. 1-31.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».