We propose a finite element method for simulating one-dimensional solid models moving and experiencing large deformations while immersed in generalized Newtonian fluids. The method is oriented towards applications involving microscopic devices or organisms in the soft-bio-matter realm. By considering that the strain energy of the solid may explicitly depend on time, we incorporate a mechanism for active response. The solids are modeled as Cosserat rods, a detailed formulation being provided for the special case of a planar non-shearable rod. The discretization adopts one-dimensional Hermite elements for the rod and low-order Lagrange two-dimensional elements for the fluid's velocity and pressure. The fluid mesh is boundary-fitted, with remeshing at each time step. Several time marching schemes are studied, of which a semi-implicit scheme emerges as most effective. The method is demonstrated in very challenging examples: the roll-up of a rod to circular shape and later sudden release, the interaction of a soft rod with a fluid jet and the active self-locomotion of a sperm-like rod. The article includes a detailed description of a code that implements the method in the Firedrake library.


翻译:我们建议了模拟单维固体模型的有限元素方法,这种模型在浸泡在通俗牛顿流体中时移动和经历大变形。该方法面向在软生物物质领域涉及微显性装置或生物体的应用。考虑到固体的紧张能量可能明确取决于时间,我们采用了积极反应的机制。固体以Cosserat杆为模型,这是为平面不可听棒的特殊情况提供的一种详细配方。离散化为液体速度和压力的棒和低序拉格朗二维元素采用了单维Hermite元素。液体网是边界配对的,每个步骤都进行重新显示。研究了若干时间行进计划,其中半隐含性计划最为有效。该方法在极具挑战性的例子中得到了证明:棒滚动成圆形,后来突然释放,软棒与液体喷射机的互动,以及精子类棒的主动自闭镜。文章包括一个代码的详细描述,该工具在Firedra图书馆中。

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