معرفی روش مرز مغروق برای تحلیل مسائل برهم‌کنش سازه با سیال از نوع ارتعاش ناشی از گردابه

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسندگان

1 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

2 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

روش مرز مغروق یک روش نوین و کارآمد برای حل مسائل برهم‌کنش سازه - سیال[i] است. یکی از انواع مهم مسائل برهم‌کنش سازه - سیال مسئله ارتعاش ناشی از گردابه استوانه‌ها است. در این مطالعه می‌خواهیم روش مرز مغروق را معرفی کنیم. به این ترتیب که فلسفه، مزایا، محدودیت‌ها و کاربردهای آن ارائه می‌گردد. با توجه به کاربردهای فراوان این روش و برای جلوگیری از عدم تمرکز، کاربرد مسئله ارتعاش ناشی از گردابه به‌عنوان مرکز توجه و نمونه مطالعاتی استفاده شده است. سپس جزئیات روابط حاکم مرز مغروق و گسسته‌سازی‌های آنها تشریح می‌شود. الگوریتم مرز مغروق تکراری که برای مسئله ارتعاش ناشی از گردابه نیز استفاده شده به‌عنوان روش حل معادلات حاکم مطرح می‌شود. پیاده‌سازی و موارد مرتبط با الزامات کدنویسی توضیح داده می‌شوند. در نهایت مسئله ارتعاش ناشی از گردابه در استوانه با این روش حل می‌شود تا توانایی آن نشان داده شود. این پژوهش به‌گونه‎ای طراحی شده که مخاطب به یک جمع‎بندی از عملکرد این روش در مسائل برهم‌کنش سازه - سیال و به‌ویژه مسئله ارتعاش ناشی از گردابه می‌رسد. دیده می‌شود که زمان حل و متعاقبا قدرت محاسباتی مورد نیاز در حل مسئله به این روش بسیار کمتر از روش عادی است. روش مرز مغروق با توجه به مزایایی که دارد می‌تواند در آینده تبدیل به روش اصلی حل مسائل برهم‌کنش سازه - سیال شود. این مزایا به قدری هستند که پیاده‌سازی روش مرز مغروق را کاملا توجیه‌پذیر می‌کنند.
 
[i]. Fluid-Structure Interaction (FSI)

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Introduction of Immersed Boundary Method for Analyzing Fluid-Structure Interaction Problems of Vortex-Induced Vibration Type

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Tabeshpour 1
  • Hojjat Naderi-Asrami 2
1 Associate Professor, Mechanical Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
2 PhD Candidate, Mechanical Engineering Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Immersed boundary method is a novel and efficient tool for solving fluid-structure interaction problems. One of important fluid-structure interaction problems is vortex-induced vibrations of cylinders. In this study, we want to introduce immersed boundary method. Philosophy, advantages, disadvantages and applications of the method will be presented. Because of wide range of applications of this method and for not losing focus, we shall limit our study only to vortex-induced vibrations. Next, details of governing equations of immersed boundary method and their discretization will be introduced. Iterative immersed boundary algorithm which has been used for vortex-induced vibrations before, will be used to solve governing equations. Finally, implementation and coding requirements will be discussed. This paper is organized in a way so readers can obtain a comprehensive understanding of the method behavior in fluid-structure interaction problems, especially vortex-induced vibrations. Considering the benefits of immersed boundary method, it has the potential to become the main method for analyzing fluid-structure interaction problems. These benefits are considerable enough that makes the implementation of the method justifiable.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Immersed Boundary Method
  • Fluid Structure Interaction
  • Vortex Induced Vibration
  • Cartesian Grid
  • Delta Kernel
[1] Liu, Guijie, Haiyang Li, Zhaozun Qiu, Dingxin Leng, Zhixiong Li, and Weihua Li, "A mini review of recent progress on vortex-induced vibrations of marine risers", Ocean Engineering, 2020, Vol.195, p.106704.
[2] Wang, Jia-song, Dixia Fan, and Ke Lin, "A review on flow-induced vibration of offshore circular cylinders", Journal of Hydrodynamics, 2020, Vol.32, no.3, pp.415-440.
[3] Peskin, Charles S., "The immersed boundary method", Acta numerica, 2002, Vol.11, pp.479-517.
[4] Raza, Syed Ahmad, Ming-Jyh Chern, Herman Susanto, and Yun-Hui Zhou, "Numerical investigation of the effects of a small fixed sphere in tandem arrangement on VIV of a sphere", Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2020, Vol.206, p.104368.
[5] Ji, Chunning, A. Munjiza, and J. J. R. Williams, "A novel iterative direct-forcing immersed boundary method and its finite volume applications", Journal of Computational Physics, 2012, Vol.231, no.4, pp.1797-1821.
[6] Mittal, Rajat, and Gianluca Iaccarino, "Immersed boundary methods", Annu. Rev. Fluid Mech., 2005, Vol.37, pp.239-261.
[7] Mittal, Rajat, Haibo Dong, Meliha Bozkurttas, F. M. Najjar, Abel Vargas, and Alfred Von Loebbecke, "A versatile sharp interface immersed boundary method for incompressible flows with complex boundaries", Journal of computational physics, 2008, Vol.227, no.10, pp.4825-4852.
[8] Chen, Weilin, Chunning Ji, John Williams, Dong Xu, Lihong Yang, and Yuting Cui, "Vortex-induced vibrations of three tandem cylinders in laminar cross-flow: Vibration response and galloping mechanism", Journal of Fluids and Structures, 2018, Vol.78, pp.215-238.
[9] Chen, Weilin, Chunning Ji, Dong Xu, Zhimeng Zhang, and Yuhan Wei, "Flow-induced vibrations of an equilateral triangular prism at various angles of attack", Journal of Fluids and Structures, 2020, Vol.97, pp.103099.
[10] Griffith, Martin D., and Justin S. Leontini, "Sharp interface immersed boundary methods and their application to vortex-induced vibration of a cylinder", Journal of Fluids and Structures, 2017, Vol.72, pp.38-58.
[11] Zhang, Lucy, Axel Gerstenberger, Xiaodong Wang, and Wing Kam Liu, "Immersed finite element method", Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2004, Vol.193, no.21-22, pp.2051-2067.
[12] Garg, Hemanshul, Atul K. Soti, and Rajneesh Bhardwaj, "A sharp interface immersed boundary method for vortex-induced vibration in the presence of thermal buoyancy", Physics of Fluids, 2018, Vol.30, no.2, pp.023603.
[13] Chen, Weilin, Chunning Ji, and Dong Xu., "Vortex-induced vibrations of two side-by-side circular cylinders with two degrees of freedom in laminar cross-flow", Computers & Fluids, 2019, Vol.193, pp.104288.
[14] Wang, Mingyang, Eldad J. Avital, Xin Bai, Chunning Ji, Dong Xu, John JR Williams, and Antonio Munjiza, "Fluid–structure interaction of flexible submerged vegetation stems and kinetic turbine blades", Computational Particle Mechanics, 2019, pp.1-10.
[15] Battista, Nicholas A., W. Christopher Strickland, Aaron Barrett, and Laura A. Miller, "IB2d Reloaded: A more powerful Python and MATLAB implementation of the immersed boundary method", Mathematical Methods in the Applied Sciences, 2018, Vol.41, no.18, pp.8455-8480.