Transcript Document
Biomechanika przepływów WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; Metoda elementu skończonego (Finite Element Method FEM) Jest to jedna z podstawowych metod numerycznych wykorzystywana w modelowaniu procesów bioinżynierskich. Metoda ta została wprowadzona w latch 60 ubiegłego wieku. Podstawowym założeniem FEM jest to że każde pole fizyczne może być podzielone na skończoną liczbę podobszarów (subdomains) nazywanych elementami skończonymi (finite elements) pole odkształceń dla przepływu krwii naczyniem krwionośnym WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; pole odkształceń ux, y,z powstałe na skutek oddziaływań mechanicznych jest aproksymowane w każdym elemencie skończonym za pomocą pola wektorowego odkształceń ue r,s,t lokalny układ współżędnych dla elementu, i czas aproksymacja przesunięcia elemntu jest wyrażana za pomocą wektora przemieszczeń: dla węzłów elementu. u NU N ui N KU K i ilość węzłów K1 funkcja interpolująca elementy wektora przesunięcia węzła K Ue WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; Można zapisać równanie równowagi poszczególnego elementu jak i całego rozpatrywanego ciała, postaci: KsysUsys Fsysext wektor zewnętrznych sił stiffness matrix wektor praesunięć węzłów Ta prosta idea pozwala na rozwiązywanie i analizowanie skomplikowanych problemów: układów dynamicznych, nie liniowych oddziaływań w ciele stałym jak i ogólnych układów przepływowych. WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; Przykład Jednowymiarowe odkształcanie schemtyczna reprezentacja Prosty układ pod obciążeniem siły F 1, 2, 3 – FE węzły L1, L2 – długości elementów U1, U2, U3 - przemieszczenia A1, A2 – powierzchnie przekrojów E1, E2 - Moduły Younga Dwa elementy, trzy węzły WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; Rozpatrując powyższy układ, możmy wyodrębnić siły działające na poszczególne węzły F1, F2: F1 pochodzi od podpory, a F2 w węźle 2 pochodzi od elementu 2. Z drugiej strony działa też siła od elementu 1. W węźle 3 działa zewnętrzna siła F Na skutek deformacji elementów mamy przemieszczenie u na osi x. WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; deformacja zgodnie z prawem Hookea wyniesie: du F e dx AE AE Jeżeli siła wzdłużna jest taka sama wzdłuż elementu, to przemieszczenie wzdłuż elementu może być obliczone przez scałkowanie tego równania, co daje: F u x U1 AE dla warynku brzegowego: u U1 x 0 WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; Pozwala to wyznaczyć U2 : F U L U1 AE 2 x 1 x 2 u 1 U U L L i dalej: zamiast współżędnej x , możemy wprowadzić tzw. naturalną współrzędną : x r 1 2 L wartość r zmienia się od -1 do 1 dla dowolnej wartości L WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; dostajemy ur N1rU1 N2 rU 2 u NU funkcje interpolacji gdzie N jest 1 x 2 macierzą interpolcji Można przekształcić to do zależności: 1 N1r 1 r 2 1 N2 r 1 r 2 xr N1rX1 N2 rX 2 WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; 3D przypadki elementy 8 – węzłowe: WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; Przypadek 2D elementy 4 węzłowe WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; Wykorzystanie FEM do opisu pól wektorowych W wielu problemach fizycznych i bioinżynierskich potrzebne jest okreslenie pola pewnych właściwości fizycznych w opisywanym układzie: temperatury, cisnienia prdkości itp. Wykorzystywana jest metoda Galerkina Rozważmy równanie różniczkowe typu: v c D f 0 t x i x i stałe materiałowe wielkość tworząca pole człon źródłowy WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; Metody Lattice Boltzmann dla przepływu płynów nie-Newtonowskich: Lattice – Boltzamann to metoda numeryczna modelowania układów fizycznych oparta na opisie dynamiki „fikcyjnych” zbiorów cząstek. Główna idea techniki LB sprowadza się do modelowania fizycznej rzeczywistości w mezo-skali, poprzez odpowiednie zdefiniowanie oddziaływań pomiędzy cząstkami w skali mikro, co po uśrednieniu oddziaływań w całej populacji cząstek, owocuje odpowiednim zachowaniem się układu w skali makroskopowej. Płyn jest opisany poprzez funkcję rozkładu gęstości cząstek: fi r , t W ściśle określonej geometrii przestrzeni zawartej w sieci połączeń między węzłowych. WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; Geometrie siatek: Funkcja fi r , t daje prawdopodobieństwo że fikcyjna cząstka płynu z prędkością vi napłynie do węzła siatki w pozycji r w dyskretnym czasie t. WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; Bazując na modelu BGK, dynamikę układu opisuje równanie: 1 Krok czasowy symulacji Czas relaksacji Lokalne funkcje equilibrium Wielkości makroskopowe: Gęstość płynu ρ: z m f i i i 0 z Prędkość u : u m f v i i i i 0 Równanie BGK, odwzorowuje hydrodynamiczne zachowanie płynu dla tak zdefiniowanych funkcji f0 WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; mi to wagi powiązane z odpowiednimi kierunkami w siatce połączeń między węzłowych Makroskopowa hydrodynamika układu dla tak zdefiniowanych parametrów spełnia równanie Naviera – Stokesa dla prędkości dźwięku: cs v C2 i lepkości dynamicznej definiowanej C 0 równaniem: W metodzie LB tensor naprężenia wyrażony jest następująco: I powiązany jest z tensorem odkształcenia następująco: WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; LB technika umożliwia łatwą implementację zmienionej reologii płynu np. dla płynu nie-Newtonowskiego jakim jest krew: Dla małych wartości naprężeń ścinających (<10s-1) i hematokrytu <40% spełnione jest równanie Cassona: (*) Stała lepkość Wartość naprężeń ścinających Mira odkształcenia Lepkość w funkcji odkształcenia Dla takiego modelu profil prędkości w rurze przyjmuje postać: Granica płynięcia WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; Równanie (*) można przekształcić do postaci: (1) Z relacji tensora naprężeń i Tensora odkształcenia mamy: (1) (1) Gdzie naprężenia: Korzystając z : (2) można wprost wyznaczyć z: C 1 2 v 2 C t 2 4 (1) = (2) Rozwiązujemy względem μ y WYKŁAD 7 : Podstawy metod modelowania numerycznego; Równanie jest spełnione dla θ < 1 tzn. σ>σy Dla modelu D2Q9 lokalnie zależność na czas relaksacji 1 jest modyfikowana jako funkcja naprężeń σ zgodnie z zależnością przedstawioną powyżej. C 2 1 v 2 C t 2 4 Dla przepływu kanałem otrzymano idealną zgodność z rozwiązaniem analitycznym: (Quared R., Chopard B., 2005)