We developed a computational framework for simulating thin fluid flow in narrow interfaces between contacting solids, which is relevant for a range of engineering, biological and geophysical applications. The treatment of this problem requires coupling between fluid and solid mechanics equations, further complicated by contact constraints and potentially complex geometrical features of contacting surfaces. We developed a monolithic finite-element framework for handling mechanical contact, thin incompressible viscous flow and fluid-induced tractions on the surface of the solid, suitable for both one- and two-way coupling approaches. Additionally, we consider the possibility of fluid entrapment in "pools" delimited by contact patches and its pressurisation following a non-linear compressibility constitutive law. Furthermore, image analysis algorithms were adapted to identify the local status of each interface element within the Newton-Raphson loop. First, an application of the proposed framework for a problem with a model geometry is given, and the robustness is demonstrated by the residual-wise and status-wise convergence. The full capability of the developed two-way coupling framework is demonstrated on a problem of a fluid flow in contact interface between a solid with representative rough surface and a rigid flat. The evolution of the contact pressure, fluid flow pattern and the morphology of trapped fluid zones until the complete sealing of the interface is displayed. Additionally, we demonstrated an almost mesh-independent result of a refined post-processing approach to the real contact-area computation. The developed framework permits not only to study the evolution of effective properties of contact interfaces, but also to highlight the difference between one- and two-way coupling approaches and to quantify the effect of multiple trapped fluid "pools" on the coupled problem.


翻译:我们开发了一个计算框架,用于模拟在与固体接触之间的窄界面中的细流体流,这与一系列工程、生物和地球物理应用相关。这一问题的处理需要将液体和固体机械方程式结合起来,由于接触限制和接触表面可能复杂的几何特征而进一步复杂化。我们开发了一个单立的有限元素框架,用于处理机械接触、薄的不压缩透视流和液体在固体表面的引流,适合单向和双向联结方式。此外,我们考虑了在“资源库”中通过接触补接点和在非线性压缩压缩机械方程式法下调出液体的分解。此外,对图像分析算法进行了调整,以确定牛顿-拉夫森环绕中每个界面的局部状态。首先,给出了对模型几何测量问题的拟议框架的应用,从残余和状态分解方法可以看出稳健健健的趋同点。 开发的双向框架的全面能力,由接触的双向结构,在非线补补接合点中展示了一种稳定的流流,在硬质的平流中,我们所展示了一个稳定的平流的接触的深度流,在平流流中,在平流中显示一个稳定的流流流流流流流流流的深度的接触状态中, 。

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