Possibilities of the particle finite element method for fluid-structure interaction problems with free surface waves

Published in Revue Européenne des Éléments Finis, Vol. 13, pp. 637-666, 2004
DOI: 10.3166/reef.13.637-666

Abstract

We present a general formulation for analysis of fluid-structure interaction problems using the particle finite element method (PFEM). The key feature of the PFEM is the use of a Lagrangian description to model the motion of nodes (particles) in both the fluid and the structure domains. Nodes are thus viewed as particles which can freely move and even separate from the main analysis domain representing, for instance, the effect of water drops. A mesh connects the nodes defining the discretized domain where the governing equations, expressed in an integral from, are solved as in the standard FEM. The necessary stabilization for dealing with the incompressibility condition in the fluid is introduced via the finite calculus (FIC) method. A fractional step scheme for the transient coupled fluid-structure solution is described. Examples of application of the PFEM method to solve a number of fluid-structure interaction problems involving large motions of the free surface and splashing of waves are presented.

On présente une formulation générale pour l'analyse de problèmes d'interaction fluidestructure fondée sur la méthode des éléments finis particulaires (MEFP). L'aspect essentiel de la MEFP est la représentation lagrangienne du mouvement des noeuds dans les domaines fluide et structure. Les noeuds sont ainsi vus comme des particules qui peuvent se mouvoir librement et même se séparer du domaine principal d'analyse modélisation de gouttes d'eau). Un maillage connecte les noeuds définissant le domaine discrétisé sur lequel les équations de champ, écrites sous forme intégrale, sont résolues comme avec la méthode des éléments finis classique. La nécessaire stabilisation permettant la prise en compte de la condition d'incompressibilité dans le fluide est introduite via l'analyse finie. Un schéma à pas fractionnaire pour le problème d'évolution fluide-structure couplé est décrit. Des exemples d'application de la MEFP à des problèmes d'interaction avec grands mouvements de surface libre et aspersion par vagues sont présentés.