We propose and analyze numerically a new fictitious domain method, based on higher order space-time finite element discretizations, for the simulation of the nonstationary, incompressible Navier--Stokes equations on evolving domains. The physical domain is embedded into a fixed computational mesh such that arbitrary intersections of the moving domain's boundaries with the background mesh occur. The key ingredients of the approach are the weak formulation of Dirichlet boundary conditions by Nitsche's method, the flexible and efficient integration over all types of intersections of cells by moving boundaries and the spatial extension of the discrete physical quantities to the entire computational background mesh including fictitious (ghost) subdomains of fluid flow. To prevent spurious oscillations caused by irregular intersections of mesh cells, a penalization ensuring the stability of the approach and defining implicitly the extension to host domains is added. These techniques are embedded in an arbitrary order, discontinuous Galerkin discretization of the time variable and an inf-sup stable discretization of the spatial variables. The convergence and stability properties of the approach are studied, firstly, for a benchmark problem of flow around a stationary obstacle and, secondly, for flow around moving obstacles with arising cut cells and fictitious domains. The parallel implementation is also addressed.


翻译:我们提出并分析一种新的虚拟域法,该方法以更高顺序的空间-时间限制元素离散为基础,用于模拟非静止、不可压缩的导航-斯托克方程式,在不断变化的域上模拟非静止、不可压缩的导航-斯托克方程式。物理域嵌入一个固定的计算网格,使移动域边界的任意交叉与背景网格发生。该方法的关键要素是:用尼采的方法对Dirichlet边界条件进行微弱的配制,通过移动边界和将离散物理数量从空间向整个计算背景网格的空间延伸,包括流体的虚构(鬼)亚方域。为了防止因移动网格不规则的交叉而引起虚假的振动,对方法的稳定性进行惩罚,并隐含地界定主域的延伸。这些技术嵌入任意秩序中,不连续的加勒金分解时间变量,以及空间变量的内位稳定分解。正在研究该方法的趋同和稳定性特性与整个计算背景网格的分解特性,包括液流(鬼)分流的子。首先研究该方法的趋同和稳定性特性,然后研究如何围绕一个平行的基障碍进行移动。

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