Rigid particles in a Stokesian fluid can physically not overlap, as a thin layer of fluid always separates a particle pair, exerting increasingly strong repulsive forces on the bodies for decreasing separations. Numerically, resolving these lubrication forces comes at an intractably large cost even for moderate system sizes. Hence, it can typically not be guaranteed that particle collisions and overlaps do not occur in a dynamic simulation, independently of the choice of method to solve the Stokes equations. In this work, non-overlap constraints, in terms of the Euclidean distance between boundary points on the particles, are represented via a barrier energy. We solve for the minimum magnitudes of repelling contact forces between any particle pair in contact to correct for overlaps by enforcing a zero barrier energy at the next time level, given a contact-free configuration at a previous instance in time. The method is tested using a multiblob method to solve the mobility problem in Stokes flow applied to suspensions of spheres, rods and boomerang shaped particles. Collision free configurations are obtained at all instances in time. The effect of the contact forces on the collective order of a set of rods in a background flow that naturally promote particle interactions is also illustrated.


翻译:Stokesian 流体中的硬质粒子在物理上不能重叠,因为一个薄质的液体层总是分离一个粒子配对,对体体产生越来越强烈的令人厌恶的力量,以降低分离。从数字来看,解决这些润滑力的成本非常昂贵,即使是中度系统大小也是如此。因此,通常不能保证粒子碰撞和重叠不会在动态模拟中发生,而不论如何选择解决斯托克斯方程式的方法。在这项工作中,从粒子边界点之间的欧克利底距离来看,不重叠的限制是通过屏障能量表示的。我们解决任何接触的粒子配对之间的最小反射接触力的最小程度,以便通过在下一个时间水平上执行零屏障能量来纠正重叠,因为以前曾有过一种无接触的配置。该方法是用一种多球方法来测试的,以解决斯托克斯流中的移动问题。从悬浮点、棒和潮流成形粒子的悬浮体,在各种情况下都通过屏障能量来表示。我们通过在各种场合中都获得了不重叠自由的配置。我们解决了任何接触的粒子接触强度,通过在下一个粒子的粒子中,从而自然地显示集体接触的特性。

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