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Immersed Boundary Smooth Extension (IBSE): A high-order method for solving incompressible flows in arbitrary smooth domains

机译:浸入式边界光滑扩展(IBsE):一种高阶方法   解决任意光滑域中的不可压缩流

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摘要

The Immersed Boundary method is a simple, efficient, and robust numericalscheme for solving PDE in general domains, yet for fluid problems it onlyachieves first-order spatial accuracy near embedded boundaries for the velocityfield and fails to converge pointwise for elements of the stress tensor. In aprevious work we introduced the Immersed Boundary Smooth Extension (IBSE)method, a variation of the IB method that achieves high-order accuracy forelliptic PDE by smoothly extending the unknown solution of the PDE from a givensmooth domain to a larger computational domain, enabling the use of simpleCartesian-grid discretizations. In this work, we extend the IBSE method toallow for the imposition of a divergence constraint, and demonstrate high-orderconvergence for the Stokes and incompressible Navier-Stokes equations: up tothird-order pointwise convergence for the velocity field, and second-orderpointwise convergence for all elements of the stress tensor. The method isflexible to the underlying discretization: we demonstrate solutions producedusing both a Fourier spectral discretization and a standard second-orderfinite-difference discretization.
机译:浸入边界法是一种简单,有效且鲁棒的数值方案,用于求解一般域中的PDE,但对于流体问题,它仅能获得速度场嵌入边界附近的一阶空间精度,并且无法针对应力张量的元素逐点收敛。在先前的工作中,我们引入了浸入边界平滑扩展(IBSE)方法,该方法是IB方法的一种变体,它通过将PDE的未知解从给定的平滑域平滑扩展到更大的计算域来实现高阶精度的椭圆PDE,从而实现了使用简单的笛卡尔网格离散化。在这项工作中,我们扩展了IBSE方法以允许施加散度约束,并证明了Stokes和不可压缩的Navier-Stokes方程的高阶收敛性:速度场的最高三阶逐点收敛性,而对于速度场的第二阶逐点收敛性应力张量的所有元素。该方法灵活地适用于基础离散化:我们演示了使用傅立叶谱离散化和标准二阶有限差分离散化产生的解决方案。

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