Fluid flows containing dilute or dense suspensions of thin fibers are widespread in biological and industrial processes. To describe the motion of a thin immersed fiber, or to describe the forces acting on it, it is convenient to work with one-dimensional fiber centerlines and force densities rather than two-dimensional surfaces and surface tractions. Slender body theories offer ways to model and simulate the motion of immersed fibers using only one-dimensional data. However, standard formulations can break down when the fiber surface comes close to intersecting itself or other fibers. In this paper we introduce a numerical method for a recently derived three-dimensional slender body boundary value problem that can be stated entirely in terms of a one-dimensional distribution of forces on the centerline. The method is based on a new completed single-layer potential formulation of fluid velocity which removes the nullspace associated with the unmodified single layer potential. We discretize the model and present numerical results demonstrating the good conditioning and improved performance of the method in the presence of near-intersections. To avoid the modeling and numerical choices involved with free ends, we consider closed fibers.


翻译:含有稀释或浓密薄纤维悬浮的流体流在生物和工业过程中十分普遍。为了描述薄薄浸泡纤维的动作,或描述其作用力,适宜使用单维纤维中线和强度密度,而不是二维表面和表面牵引物。光体理论提供了仅使用一维数据的模型和模拟浸泡纤维运动的方法。然而,当纤维表面接近于相互交织或其它纤维时,标准配方可能会破裂。本文中我们为最近衍生的三维薄纤维的边际值问题引入了一种数字方法,可以完全用中线的一维力量分布来表示。该方法以新的完整的单层流速配制为基础,以清除与未调整的单层潜力相关的空格。我们将模型分解,并呈现数字结果,表明在近层存在时该方法的良好调和性能得到改进。为了避免与自由端有关的模型和数字选择,我们考虑封闭的纤维。

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