We present a novel second-order semi-implicit hybrid finite volume / finite element (FV/FE) scheme for the numerical solution of the incompressible and weakly compressible Navier-Stokes equations on moving unstructured meshes using an Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation. The scheme is based on a suitable splitting of the governing PDE into subsystems and employs staggered grids, where the pressure is defined on the primal simplex mesh, while the velocity and the remaining flow quantities are defined on an edge-based staggered dual mesh. The key idea of the scheme is to discretize the nonlinear convective and viscous terms using an explicit FV scheme that employs the space-time divergence form of the governing equations on moving space-time control volumes. For the convective terms, an ALE extension of the Ducros flux on moving meshes is introduced, which is kinetic energy preserving and stable in the energy norm when adding suitable numerical dissipation terms. Finally, the pressure equation of the Navier-Stokes system is solved on the new mesh configuration using a continuous FE method, with $\mathbb{P}_1$ Lagrange elements. The ALE hybrid FV/FE method is applied to several incompressible test problems ranging from non-hydrostatic free surface flows over a rising bubble to flows over an oscillating cylinder and an oscillating ellipse. Via the simulation of a circular explosion problem on a moving mesh, we show that the scheme applied to the weakly compressible Navier-Stokes equations is able to capture weak shock waves, rarefactions and moving contact discontinuities. We show that our method is particularly efficient for the simulation of weakly compressible flows in the low Mach number limit, compared to a fully explicit ALE scheme


翻译:我们提出了一个新颖的二级半隐性混合体积/限量元素(FV/FE)方案,用于使用任意的Lagrangian-ELErian(ALE)配方来移动无结构的 meshes 的不可压缩和微弱压缩的 Navier-Stokes 方程式的数字解决方案。这个方案的基础是将调控的 PDE 适当分割成子系统,并使用错开的网格,在原始的简单网格上确定压力,而速度和剩余流量则在以边缘为基的螺旋式双流中确定。Slavier-Stokes 方程式的关键想法是使用清晰的FVVVV公式将非线性静态和粘结的方程式分解开来移动。对于调色调的流来说,我们移动介质流的Ducrecialtal通通性通性通性通性能量保持和稳定在能量规范中,在添加适当的数字的不易变异性中应用了不易变的电流。最后,在不断变压的Freval-reval-deal-deal-deal-deal-deal-deal-modeal-modeal-modemodemodrodudududududule rod rodule a romodal romod romodal-la romodal rodal-s rodal-lax rod romod rodal romodemodemod rodal demod 一种在使用一种在使用一种不动的系统上显示一种在一种不动的调一种不动的调一种不动的调一种不动式式式式式的系统上,在不断制式的系统上,在不断制式方法上,在不断法上显示一种不动的变式的递制式式式式的递制式式式的递制式式的递制法中显示一种不动式的递制式的递制式平压式的递制,在不断式的递制式的变压式的递制式的递制式的递制式的递制式的递制式的递制式的递制式的

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