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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.45.2007.tde-15082013-160020
Document
Author
Full name
Daniel Mendes Azeredo
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2007
Supervisor
Committee
Roma, Alexandre Megiorin (President)
Castelo Filho, Antonio
Fabris, Antonio Elias
Title in Portuguese
Simulação numérica de uma função indicadora de fluidos tridimensional empregando refinamento adaptativo de malhas
Keywords in Portuguese
Closest Point Transform
Função indicadora de fluidos
Refinamento adaptativo de malhas
Abstract in Portuguese
No presente trabalho, utilizou-se o Método da Fronteira Imersa, o qual utiliza dois tipos de malhas computacionais: euleriana (utilizada para o fluido) e lagrangiana (utilizada para representar a interface de separação de dois fluidos). O software livre GMSH foi utilizado para representar um sólido por meio da sua superfície externa e também para gerar uma malha triangular, bidimensional e não estruturada para discretizar essa superfície. Essa superfície foi utilizada como condição inicial para a malha lagrangiana (fronteira imersa). Os dados da malha lagrangiana são armazenados em uma estrutura de dados chamada Halfedge, a qual é largamente utilizada em Computação Gráfica para armazenar superfícies fechadas e orientáveis. Uma vez que a malha lagrangiana esteja armazenada nesta estrutura de dados, passa-se a estudar uma hipotética interação dinâmica entre a fronteira imersa e o escoamento do fluido. Esta interação é estudada apenas em um sentido, considera-se apenas a condição de não deslizamento, isto é, a fronteira imersa acompanhará passivamente um campo de velocidades pré-estabelecido (imposto), sem exercer qualquer força ou influência sobre ele. Foi utilizado um campo de distância local com sinal (função indicadora de fluidos) para identificar o interior e o exterior da superfície que representa a interface entre os fluidos. Este campo de distância é atualizado a cada passo no tempo utilizando idéias de Geometria Computacional, o que tornou o custo computacional para calcular esse campo otimal independente da complexidade geométrica da interface. Esta metodologia mostrou-se robusta e produz uma definição nítida das distintas fases dos fluidos em todos os passos no tempo. Para acompanhar e visualizar de forma mais precisa o comportamento dos fluidos na vizinhança da superfície que representa a interface de separação dos fluido, foi utilizado um algoritmo chamado de Refinamento Adaptativo de Malhas para fazer um refinamento dinâmico da malha euleriana na vizinhança da malha lagrangiana.
Title in English
Numerical simulation of a 3D fluid indicator function using adaptive mesh refinement
Keywords in English
Adaptive Mesh Refinement
Closest Point Transform
Fluid Indicator Function
Abstract in English
The scientific motivation of the present work is the mathematical modeling and the computational simulation of multiphase flows. Specifically, the equations of a two-phase flow are written by combining the Immersed Boundary Method with a suitable fluid indicator function. It is assumed that the fluid equations are discretized on an Eulerian mesh covering completely the flow domain and that the interface between the fluid phases is discretized by a non-structured Lagrangian mesh formed by triangles. In this context, employing tools commonly found in Computational Geometry, the computation of the fluid indicator function is efficiently performed on a block-structured Eulerian mesh bearing dynamical refinement patches. Formed by a set of triangles, the Lagrangian mesh, which is initally generated employing the free software GMSH, is stored in a Halfedge data structure, a data structure which is widely used in Computer Graphics to represent bounded, orientable closed surfaces. Once the Lagrangian mesh has been generated, next, one deals with the hipothetical situation of dealing with the one-way dynamical interaction between the immersed boundary and the fluid flow, that is, considering the non-slip condition, only the action of the flow on the interface is studied. No forces arising on the interface affects the flow, the interface passively being advect with the flow under a prescribed, imposed velocity field. In particular, the Navier-Stokes equations are not solved. The fluid indicator function is given by a signed distance function in a vicinity of the immersed boundary. It is employed to identify interior/exterior points with respect to the bounded, closed region which is assumed to contain one of the fluid phases in its interior. The signed distance is update every time step employing Computational Geometry methods with optimal cost. Several examples in three dimensions, showing the efficiency and efficacy in the computation of the fluid indicator function, are given which employ the dynamical adaptive properties of the Eurlerian mesh for a moving interface.
 
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Publishing Date
2013-08-19
 
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