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Smoothed finite element method for analysis of fluid-solid interaction problems = 완화 유한요소법을 이용한 유체-고체 상호작용 해석
서명 / 저자 Smoothed finite element method for analysis of fluid-solid interaction problems = 완화 유한요소법을 이용한 유체-고체 상호작용 해석 / Jungdo Kim.
저자명 Kim, Jungdo ; 김정도
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2017].
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초록정보

The numerical method based on the cell-based smoothed finite element method is proposed to analyze fluid-solid interaction problems. Applying the gradient smoothing technique to the fluid and solid domain, fully-coupled FSI formulation is achieved, and the analysis is performed by means of polygonal and polyhedral elements. The element shape function based on the linear point interpolation method leads to simple element formulation and a good geometric adaptability. Due to the properties of the smoothed finite element method, it is possible to connect non-matching meshes along the fluid-solid interface by polygonal and polyhedral elements. The smoothed finite element method provides seamless connection without overlapping or gap satisfying the interfacial conditions of continuity, compatibility, and force equilibrium, which is verified through several patch tests. In addition, the performances of the solution including the accuracy and convergence behavior are demonstrated through several numerical examples. As a result, the proposed scheme based on the cell-based smoothed finite element method yields solutions of better accuracy and faster convergence rate than those of the conventional finite element method. Next, effective treatments for dealing with moving boundaries in FSI problems are proposed in the frame of local remeshing. For the two-dimensional problem, the sliding polygonal mesh method is suggested to overcome the problems of mesh distortion. For the three-dimensional problem, a new scheme is developed by adopting a surrounding cell around a solid in order to solve problems with a freely moving particle in the fluid. The validity of the proposed schemes is verified in comparison with the previous works, and the schemes provide good solutions.

본 연구에서는 완화 유한요소법을 이용한 유체-고체 상호작용 문제의 해석 기법을 제안하였다. 유체와 고체 영역에 셀-기반 구배 완화법을 적용하여 완전 연계 수식화를 하였으며, 다각형과 다면체 요소를 이용하여 해석을 수행하였다. 다각형과 다면체 요소들의 형상함수는 선형 점 보간법 기반으로 구성되어 수식화가 간단하며 형상 적응성이 우수하다는 특성을 가진다. 이에 따라 유체-고체 계면에서 발생하는 불일치 계면을 다각형과 다면체 요소로 연결하였고, 계면에서 만족해야 하는 연속성, 적합성, 그리고 힘 평형 조건을 만족함을 여러 조각시험을 통해 확인하였다. 그리고 여러 수치예제들을 통해 해의 정확도와 수렴 속도를 파악하였는데, 그 결과 제안한 방법은 기존 유한요소법에 비해 더 정확한 해와 빠른 수렴 속도를 가지고 있다. 위와 같은 기본적인 수식화와 더불어 유동 경계면에 의해 발생하는 요소망 왜곡 현상을 효율적으로 처리하기 위해 국부적인 요소망 재생성 기법을 제안하였다. 2차원 문제에서는 다각형 요소를 기반으로 하는 미끌림 기법을 제안하였으며, 3차원 문제에서는 자유 낙하 문제를 해석하기 위해 주위 셀 기법을 제안하였다. 기존 연구들로부터 얻은 결과와의 비교를 통해 제안한 방법들의 타당성을 검증하였고, 동등 이상의 성능을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 17014
형태사항 viii, 124 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김정도
지도교수의 영문표기 : Seyoung Im
지도교수의 한글표기 : 임세영
Appendix : A, Nonlinear elastic material model. - B, Finite element formulations for the fluid. - C, Smoothed finite element formulations for the fluid. - D, Linearized formulations for the fluid. - E, Linearized formulations for the solid
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 References : p. 120-124
주제 fluid-solid interaction
smoothed finite element method
polyhedral finite elements
non-matching interface
arbitrary Lagrangian-Eulerian
유체-고체 상호작용
완화 유한요소법
다면체 요소
불일치 계면
임의 라그랑지안-오일러리안
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