An ale approach for the numerical simulation of insect flight

Abstract

Bu çalışmada öncelikle büyük ölçekli (large-scale) hareketli yüzey problemlerinin tamamen birleşmiş (fully coupled) formda çözülmesi için kenar merkezli yapısal olmayan sonlu hacimler yöntemine dayalı Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) yöntemi geliştirilmiştir. Kenar merkezli sonlu hacim metoduna dayanan bu sayısal yöntemde hız vektör bileşenleri her bir elemanın yüzeylerinin orta noktasında tanımlanırken, basınç değerleri her bir elemanın merkezinde tanımlanmaktadır. Basınç ve hız değerlerinin mevcut şekilde düzenlenmesi kararlı bir sayısal şemaya yol açar ve böylece basınç noktalarının birbirleriyle etkileşmesi (pressure coupling) için ayrıca doğal olmayan bir değişikliğe ihtiyaç kalmaz. Süreklilik denklemi her bir eleman içerisinde tam olarak sağlanmakta ve bu süreklilik denklemlerinin toplamı hesaplama bölgesinin sınırlarında tanımlanan küresel süreklilik denklemini vermektedir. Geometrik korunum kanununun (GCL) ayrık biçimde (discrete formda) sağlanması için özel bir özen gösterilmiştir. Ağ deformasyonu her bir zaman adımında direkt olmayan radyal bazlı fonksiyon interpolasyonun çözülmesi ile elde edilmiş ve bu tekrar ağ oluşumunu gerektirmediğinden sayısal yöntemin performansını artırmıştır. Küçük zaman adımlı zamana bağlı akışların çözümü için projeksiyon metodunda olduğu gibi oluşan cebirsel denklemler üç ayrı matrise ayrıklaştırılmış ve bu matrislerin tersi önkoşullandırıcı olarak kullanılmıştır. Burada oluşan ayrık ölçekli Laplacian operatörünün tersi yerine iki adım HYPRE BoomerAMG önkoşullandırıcısı kullanılmıştır. Paralel önkoşullandırılmış iteratif yöntemlerin verimini artırmak için PETSc ve HYPRE kütüphanelerinden yararlanılmıştır. Hareketli ağlar üzerinde şu testler yapılmıştır: Azalan Taylor-Green Girdap akışı, kanal içindeki salınım hareketi yapan silindir etrafındaki akış, yere paralel salınım hareketi yapan küp içerisindeki küre etrafındaki akış.

An arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) approach has been developed in order to investigate the near wake structure of Drosophila flight. The numerical algorithm is based on side-centered finite volume method where the velocity vector components are defined at the mid-point of each cell face while the pressure is defined at the element centroid. The present arrangement of the primitive variables leads to a stable numerical scheme and it does not require any ad-hoc modifications in order to enhance pressure coupling. A special attention is also given to to satisfy the discrete global conservation law. An efficient and robust mesh-deformation algorithm based on the indirect radial basis function method is developed at each time level in order to enhance numerical robustness. For the algebraic solution of the resulting large-scale equations, a matrix factorization is introduced similar to that of the projection method for the whole coupled system and we use two-cycle of BoomerAMG solver for the scaled discrete Laplacian provided by the HYPRE library, which we access through the PETSc library. The present numerical algorithm is initially validated for the decaying Taylor-Green vortex flow, the flow past an oscillating circular cylinder in a channel and the flow induced by an oscillating sphere in a cubic cavity. Then the numerical method is applied to the numerical simulation of flow field around a pair of flapping Drosophila wings in hover flight. Finally, the numerical calculations with different wing kinematics are carried out to simulate the flow field around a pair of flapping Drosophila wings in hover.