Fluid-structure interaction

Abstract

In this thesis we are concerned with the numerical simulation of the in- teraction of compressible viscous flow and an elastic structure in 2D. For the elastic deformation we use a 2D linear model and nonlinear St. Venant- Kirchhoff and neo-Hookean models. The flow is described by the compressible Navier-Stokes equations written in the arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) form in order to take into account the time-dependence of the flow domain. The discretization of both the flow problem and the elasticity problem is re- alized by the discontinuous Galerkin finite element method (DGM). We focus on testing the DGM applied to the solution of the flow and elasticity prob- lems. Furthermore, we discuss the coupling algorithm and the technique, how to deal with the deformation of the computational domain for the fluid flow problem. Our work is motivated by the biomedical applications. Numerical experiments include numerical simulation of vibrations of human vocal folds induced by the compressible viscous flow.

V této práci se zabýváme numerickou simulací interakce proudící stlačitel- né vazké tekutiny a elastického tělesa ve 2D. Deformace obtékaného elastického tělesa jsou popsány pomocí 2D lineárního modelu pružnosti a nelineárního St. Ve- nantova-Kirchhoffova a neo-Hookeova modelu pružnosti. Proudění tekutiny je popsáno stlačitelnými Navierovými-Stokesovými rovnicemi, které jsou formulo- vány v ALE (arbitrary Lagrangian-Eulerian) tvaru. Pomocí ALE metody bereme v potaz časovou závislost oblasti vyplněné tekutinou. Diskretizace problému proudění i problému pružnosti je provedena pomocí nespojité Galerkinovy metody konečných prvků (DGM). Svoji pozornost věnujeme testování DGM aplikované na řešení problémů proudění tekutiny a pružnosti. Dále popisujeme algoritmus interakce a způsobu, jak vyřešit problém deformace oblasti vyplněné proudící tekutinou. Motivací naší práce jsou aplikace v biomedicíně. Numerické experi- menty zahrnují numerickou simulaci kmitání lidských hlasivek vyvolané působe- ním stlačitelného vazkého proudění.