Simulating acoustically-actuated flows in complex microchannels using the volume penalization technique

doi:10.1016/j.jcp.2025.114635

Simulating acoustically-actuated flows in complex microchannels using the volume penalization technique

2026-01-02

0

PRE

AI

K

Khemraj Gautam Kshetri

A

Amneet Pal Singh Bhalla

N

Nitesh Nama

DOI：10.1016/j.jcp.2025.114635

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摘要

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我们提出了一种用于模拟几何复杂微通道中声致流动的体惩罚技术。采用扰动方法，将声致可压缩牛顿流体在绕过障碍物或流经几何复杂域时的非线性响应分离为两个子问题：一个谐波一阶问题和时间平均二阶问题，其中后者利用一阶解产生的强迫项和边界条件。这种分离产生两个不同的体惩罚方程系统。在流体-固壁界面处，通过规定一阶问题中结构速度为零来施加无滑移边界条件，而与一阶解梯度相关的空间变化斯托克斯漂移则被规定为二阶问题的结构速度。谐波一阶系统通过MUMPS直接求解器求解，而稳态二阶系统则采用基于新颖投影法预条件的迭代方法求解。针对二阶系统的预条件迭代求解器被证明在惩罚力增加和网格分辨率提高时具有高度有效性和可扩展性。还提出了一种新颖的围道积分技术来评估浸没物体上的声辐射力。该技术避免了在弥散区域内使用速度导数。围道积分特别适用于笛卡尔网格。通过一系列具有代表性微流控几何形状的测试案例，我们证明了体惩罚法与体拟合法在主一阶和二阶场以及依赖于这些场梯度的声辐射力方面具有极好的一致性。我们还确定了适合准确捕捉一阶和二阶解的惩罚因子和界面弥散宽度。这些结果为体惩罚方法在模拟声流问题的有效性提供了实证依据，而这些问题在声流控文献中通常采用体拟合方法进行分析。

Simulating acoustically-actuated flows in complex microchannels using the volume penalization technique

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