[論文レビュー] Fluid-structure interaction simulations with a LES filtering approach in solids4Foam

Michele Girfoglio, Annalisa Quaini+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2021

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、foam-extendにおけるsolids4Foam FSIツールボックスを評価し、レイノルズ数100および400における流体構造挙動相互作用（FSI）に対して、Leray正則化大渦シミュレーション（LES）アプローチをEvolve-Filter-Relax（EFR）アルゴリズムを用いて実装している。研究では、solids4Foamが複雑な流れに対して柔軟かつ正確であることが示されたが、長期シミュレーションに制限を受けるリスタートバグが存在し、標準のナビエ＝ストークスソルバーと比較して数値的拡散を低減する点でEFR法が効果的にシミュレーションを安定化させることを確認した。

ABSTRACT

The goal of this paper is to test solids4Foam, the fluid-structure interaction (FSI) toolbox developed for foam-extend (a branch of OpenFOAM), and assess its flexibility in handling more complex flows. For this purpose, we consider the interaction of an incompressible fluid described by a Leray model with a hyperelastic structure modeled as a Saint Venant-Kirchhoff material. We focus on a strongly coupled, partitioned fluid-structure interaction (FSI) solver in a finite volume environment, combined with an arbitrary Lagrangian-Eulerian approach to deal with the motion of the fluid domain. For the implementation of the Leray model, which features a nonlinear differential low-pass filter, we adopt a three-step algorithm called Evolve-Filter-Relax. We validate our approach against numerical data available in the literature for the 3D cross flow past a cantilever beam at Reynolds number 100 and 400.

研究の動機と目的

• 複雑な流体構造相互作用問題における、オープンソースのsolids4Foam FSIツールボックスの正確性と頑丈さをテストすること。
• 特にLeray正則化LESアプローチを含む高度な流体モデルの統合におけるsolids4Foamの柔軟性を評価すること。
• 3次元のキャンティレバー・ビームの横流し問題に対するベンチマークデータと照合し、FSIソルバーを検証すること（Re=100およびRe=400）。
• 分割型で強く結合されたFSIフレームワーク内での大渦シミュレーションの安定化に、Evolve-Filter-Relax（EFR）アルゴリズムが果たす役割を調査すること。
• 特に界面の正確性に影響を与えるリスタート機能の誤動作を含む、重要なソフトウェア上の制限を同定し報告すること。

提案手法

• 速度場に非線形微分ローパassフィルタを適用する3段階法である、Evolve-Filter-Relax（EFR）アルゴリズムによるLerayモデルの実装。
• インターフェース収束のための強力なカップリング、分割型ディリクレ＝ノイマン（DN）FSIアルゴリズムにIQN-ILS法を適用。
• 構造変形に伴う流体領域の運動を扱うために、任意のラグランジュ＝オイラー（ALE）定式化を採用。
• 圧縮性弾性を記述するためのサインテン＝キルホフ材料法を用いて、超弾性構造をモデル化。
• 流体および固体領域の両方で有限体積法による離散化を実施し、収束性を評価するためのメッシュ細分化の検討を実施。
• EFRアルゴリズムにおける局所的フィルタリングを誘導するための速度勾配に基づくインジケータ関数を導入し、必要に応じて正則化が行われることを保証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 solids4Foam FSIツールボックスは、中程度の高さのレイノルズ数（Re=100および400）における流体構造相互作用を正確にシミュレートできるか？
• RQ2 FSI問題において、EFR-LESアプローチは標準のナビエ＝ストークスソルバーと比較して、正確性および数値的拡散の点で優れているか？
• RQ3 EFRアルゴリズムは、流体構造界面における不自然な振動をどれほど改善し、安定性を向上させられるか？
• RQ4 現在のsolids4Foam実装における主な制限、特にリスタート機能の誤動作に起因するものとは何か？
• RQ5 EFRアルゴリズムは、大幅なコード変更なしに分割型FSIフレームワークにスムーズに統合可能か？

主な発見

• solids4FoamにおけるEFR-LESアプローチは、粗いメッシュでも標準のナビエ＝ストークスソルバー（Re=100時、0.313 vs. 0.328）よりも高い正確性を達成し、収束性も向上した。
• Re=100の条件下で、300kメッシュ上でのEFRアルゴリズムは、1.236の抗力係数を達成し、基準値1.24に近く、xおよびy方向の変位誤差はそれぞれ-0.041および-0.060であった。
• Re=400の条件下で、EFR法は0.963の抗力係数を示し、ベンチマーク値0.958に近く、同じメッシュ上でのNSE法よりも優れた総誤差（0.622）を示した。
• EFRアルゴリズムにおけるインジケータ関数は、正則化が必要な領域を適切に特定しており、ビームの直近および後方、および境界層付近で高い値を示した。
• 深刻なソフトウェア上の制限が特定された：リスタート機能が流体構造界面で顕著な誤差を引き起こし、シミュレーション品質を低下させ、長時間の実行を制限する。
• リスタートの問題が存在するものの、EFRの実装はモジュラリティが高く、solids4Foamへの統合が容易であり、複雑な流体モデルへの拡張におけるツールボックスの柔軟性を裏付けた。