A peridynamics-immersed boundary-lattice Boltzmann method for fluid-structure interaction analysis

格子Boltzmann方法 流固耦合 机械 浸入边界法 流体力学 边值问题 圆柱 断裂(地质) 材料科学 物理 边界(拓扑) 结构工程 几何学 有限元法 数学分析 数学 工程类 复合材料
作者
Yang Fei,Xin Gu,Xiaozhou Xia,Qing Zhang
出处
期刊:Ocean Engineering [Elsevier BV]
卷期号:264: 112528-112528 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.oceaneng.2022.112528
摘要

Fluid-structure interaction problems (FSI) are ubiquitous in nature and industrial production. Numerical simulation has been taken as an effective method for fluid-structure interaction analysis. To accurately and efficiently simulate the deformation and fracture of structure induced by fluid-structure interactions, a novel PD-IB-LBM is proposed. Specifically, the structural deformation and fracture is described by the improved bond-based peridynamic (PD) model with an attenuation kernel function and surface effect correction, and the fluid flow is modeled by the lattice Boltzmann method (LBM), together with immersed boundary method (IBM) as a solid bridge to realize the bi-directional coupling at the fluid-solid interface. Therefore, the generation of body conformal mesh and mesh reconstruction are avoided, and the damage and fracture of structure and the movement of the fluid can be well described. In addition, the velocity correction of fluid and solid is achieved by solving a linear system of equations derived from IBM, which eliminates the trouble of iterative solution between fluid and solid for the traditional coupling method. The proposed model is validated through the simulation of flow past a circular cylinder, a rotating ring in a square fluid, and the fracture of the beam in a fluid tunnel. The simulation results show that the proposed PD-IB-LBM model and algorithm can effectively predict the discontinuous mechanical behaviors such as damage and crack propagation of structure under complex fluid motion.
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