Развитие метода дискретных вихрей в сочетании с быстрым методом мультиполя в задачах гидродинамики
Автор: Сумбатян М.А., Пискунов А.С.
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 1 т.17, 2024 года.
Бесплатный доступ
В работе обсуждается течение идеальной несжимаемой жидкости в терминах завихренности. В рамках метода дискретных вихрей каждая материальная частица жидкости рассматривается в переменных Лагранжа; при этом скорости определяются законом Био-Савара. Таким образом учитывается влияние вихрей друг на друга. Целью работы является построение численного метода разного порядка точности в задачах вихревой динамики. В сочетании со стандартными методами средней точки и Рунге-Кутты 4-го порядка используется быстрый метод мультиполя, который существенно снижает алгоритмическую сложность. Вихревая система в быстром методе мультиполя состоит из дискретных вихрей. Область движения жидкости, определяемая движением вихрей, разбивается на некоторое число кольцевых подобластей, в каждой из которых скорости вычисляются поэтапно. Для верификации сочетаемости названных численных методов решены три тестовых примера: движение симметричного и асимметричного диполей Лэмба-Чаплыгина, а также вращение объема жидкости, занимающего цилиндрическую область конечного радиуса. Известно, что последний пример довольно сложен для прямых численных расчетов, в отличие от элементарного вида его аналитического решения. Фактически проведенные рас юты подтверждают, что без использования ускорения с помощью быстрого метода мультиполя построение численного решения для этого тестового примера вряд ли возможно за разумное время при достаточно большом количестве дискретных вихрей. Результаты тестовых расчетов представлены в виде графиков и таблиц. Применение стандартных методов дискретных вихрей в сочетании с быстрым методом мультиполя показывает, что за счет оптимального выбора числа подобластей и числа дискретных вихрей возможно существенное снижение времени вычислений.
Идеальная жидкость, вихревая структура, численные методы, быстрый метод мультиполя, дискретные вихри
Короткий адрес: https://sciup.org/143182745
IDR: 143182745 | УДК: 532.5 | DOI: 10.7242/1999-6691/2024.17.1.7
Development of the discrete vortex method in combination with the fast multipole method in hydrodynamic problems
In this paper, the flow of a non-viscous incompressible fluid is discussed in terms of vorticity. In the framework of the discrete vortex method, each material particle of the fluid is considered in Lagrange variables; in this case, the velocities are determined by the Biot-Savard law. Thus, the influence of vortices on each other is taken into account. The aim of the work is to construct a numerical method of different orders of accuracy in the problems of vortex dynamics. The fast multipole method used in combination with the standard midpoint and fourth order Runge-Kutta methods significantly reduces the algorithmic complexity. In the fast multipole method, any vortex system is represented by discrete vortices. The fluid domain, determined by the motion of vortices, is divided into several ring-type subdomains, in each of which the velocities are calculated sequentially. To verify the combinability of the numerical methods, three test cases are considered: the dynamics of the symmetric and asymmetric Lamb-Chaplygin dipoles, as well as the rotation of the fluid occupying a cylindrical region of finite radius. It is known that the latter example is rather complex for direct numerical calculations in contrast to the elementary representation of its analytical solution. In fact, the performed calculations confirm that, without the Fast Multipole Method, the numerical treatment for this test case is hardly possible at a sufficiently large number of discrete vortices within a reasonable amount of time. The results of the test calculations are presented in the form of graphs and tables. The application of the standard discrete vortex methods combined with the fast multipole method shows that, due to the optimal number of subdomains and discrete vortices, the time of calculations can be significantly reduced.
Список литературы Развитие метода дискретных вихрей в сочетании с быстрым методом мультиполя в задачах гидродинамики
- Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 271 с.
- Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука, 1983. 616 с.
- Maukalled F., Mangani L., Darwish M. The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics. Springer: New York, 2016. 816 p.
- Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973.
- Lewis R.I. Surface Vorticity Modelling of Separated Flows from Two-Dimensional Bluff Bodies of Arbitrary Shape // Journal of Mechanical Engineering Science. 1981. Vol. 23. P. 1-12. DOI: 10.1243/JMES_JOUR_1981_023_003_02.
- Porthouse D.T.C., Lewis R.I. Simulation of Viscous Diffusion for Extension of the Surface Vorticity Method to Boundary Layer and Separated Flows // Journal of Mechanical Engineering Science. 1981. Vol. 23. P. 157-167. DOI: 10.1243/JMES_JOUR_1981_023_029_02.
- Beale J.T., Majda A. Rates of convergence for viscous splitting of the Navier-Stokes equations // Mathematics of Computation. 1981. Vol. 37. P. 243-259. DOI: 10.1090/S0025-5718-1981-0628693-0.
- Cottet G.H., Koumoutsakos P.D. Vortex Methods: Theory and Practice. Cambridge: Cambridge University Press, 2000.
- Kostecki S.W. Numerical modelling of flow through moving water-control gates by vortex method. Part I - problem formulation // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2008. Vol. 8. P 73-89. DOI: 10.1016/S1644-9665(12)60164-2.
- Kostecki S. Random Vortex Method in Numerical Analysis of 2D Flow Around Circular Cylinder // Studia Geotechnica et Mechanica. 2015. Vol. 36. P 57-63. DOI: 10.2478/sgem-2014-0036.
- Говорухин В.Н., Филимонова А.М. Анализ структуры плоских вихревых течений и их изменений во времени // Вычисл. мех. сплош. сред. 2021. Т. 14, № 4. C. 367-376. DOI: 10.7242/1999- 6691/2021.14.4.30.
- Белоцерковский С.М., Лифанов И.К. Численные методы в сингулярных интегральных уравнениях и их применение в аэродинамике, теории упругости, электродинамике. М.: Наука, 1985. 254 с.
- Katz J., Plotkin A. Low-speed Aerodynamics. From Wing Theory to Panel Methods. N.Y.: McGraw-Hill, 1991. 632 p.
- Saad Y. Iterative Methods for Sparse Linear Systems. SIAM: Philadelphia, 2003. 520 p.
- Коцур О.С. Математическое моделирование эллиптического вихревого кольца в вязкой жидкости методом вихревых петель // Математика и мат. моделирование. 2021. C. 46-61.
- Ibrahim K., Morgenthal G. Vortex particle method for aerodynamic analysis: Parallel scalability and efficiency//IV Intern. Conf. PARTICLES 2015. 2015. P. 1052-1065.
- Morgenthal G., Sanchez Corriols A., Bendig B. A GPU-accelerated pseudo-3D vortex method for aerodynamic analysis // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2014. Vol. 125. P. 69-80. DOI: 10.1016/j.jweia.2013.12.002.
- GreengardL., Rokhlin V. A fast algorithm for particle simulations// Journal of Computational Physics. 1987. Vol. 73. P 325-348. DOI: 10.1016/0021-9991(87)90140-9.
- Ramachandran P., Rajan S.C., Ramakrishna M. A Fast Multipole Method for Higher Order Vortex Panels in Two Dimensions // SIAM Journal on Scientific Computing. 2005. Vol. 26. P 1620-1642. DOI: 10.1137/s1064827502420719.
- Ricciardi T.R., Wolf W.R., Bimbato A.M. Fast multipole method applied to Lagrangian simulations of vortical flows // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 2017. Vol. 51. P. 180-197. DOI: 10.1016/j.cnsns.2017.04.005.
- Salloum S., Lakkis I. An adaptive error-controlled hybrid fast solver for regularized vortex methods // Journal of Computational Physics. 2022. Vol. 468.111504. DOI: 10.1016/j.jcp.2022.111504.
- Marchevsky I., Ryatina E., Kolganova A. Fast Barnes-Hut-based algorithm in 2D vortex method of computational hydrodynamics // Computers and Fluids. 2023. Vol. 266. 106018. DOI: 10.1016/j.compfluid.2023.106018.
- Хайрер Э., Нерсетт C., Ваннер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Нежесткие задачи. М.: Мир, 1990.
- Liang H., Zong Z., Zou L., Zhou L., Sun L. Vortex shedding from a two-dimensional cylinder beneath a rigid wall and a free surface according to the discrete vortex method // European Journal of Mechanics - B/Fluids. 2014. Vol. 43. P. 110-119. DOI: 10.1016/J.EUROMECHFLU.2013.08.004.
- Meleshko V.V., Heijst G.J.F. van. On Chaplygin’s investigations of two-dimensional vortex structures in an inviscid fluid // Journal of Fluid Mechanics. 1994. Vol. 272. P. 157-182. DOI: 10.1017/S0022112094004428.