A numerical scheme to simulate three-dimensional two-way fluid–structure interaction (twFSI) problems of flows around a flexible fine structure is developed in this study. The partitioned approach is employed to separately calculate fluid flows and structure motions by the lattice Boltzmann method (LBM) and the geometrically exact Cosserat rod model (CRM), respectively. The fluid–structure interactions are calculated by the simple explicit coupling scheme combined with the contact detection algorithm and the fluid–structure interface reconstruction scheme. The contact detection algorithm utilizing the bounding volume hierarchy is adopted to reduce the computing time of data communication between the fluid and the structure solvers, while the fluid–structure interface reconstruction scheme utilizes the level set method to represent the moving fluid–structure interfaces. The proposed LBM–CRM–twFSI scheme is successfully validated in two experimental benchmarks of a single flexible structure deformation in a wind tunnel. The results confirm that the present scheme accurately calculates the equilibrium state and the time-dependent oscillatory motions of the structures exposed to airflows. The errors of the representative rod position between the experimental and numerical results for both benchmarks are within 5%. These validations confirm the practicability of the presently developed LBM–CRM–twFSI scheme for motions of flexible fine structures in fluid flows.

中文翻译：

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三维二维流固耦合的格子 Boltzmann 和 Cosserat 棒模型方法

本研究开发了一种数值方案来模拟围绕柔性精细结构流动的三维二维流固耦合 (twFSI) 问题。采用分区方法分别通过格子玻尔兹曼方法 (LBM) 和几何精确 Cosserat 杆模型 (CRM) 分别计算流体流动和结构运动。通过简单的显式耦合方案结合接触检测算法和流固界面重建方案计算流固耦合。采用利用边界体积层次的接触检测算法，减少流体和结构求解器之间数据通信的计算时间，而流固界面重建方案利用水平集方法来表示移动的流固界面。所提出的 LBM-CRM-twFSI 方案在风洞中单个柔性结构变形的两个实验基准中得到了成功验证。结果证实，本方案准确地计算了暴露于气流的结构的平衡状态和时间相关的振荡运动。两个基准的实验和数值结果之间的代表性杆位置误差均在 5% 以内。这些验证证实了目前开发的 LBM-CRM-twFSI 方案对于流体流动中柔性精细结构运动的实用性。所提出的 LBM-CRM-twFSI 方案在风洞中单个柔性结构变形的两个实验基准中得到了成功验证。结果证实，本方案准确地计算了暴露于气流的结构的平衡状态和时间相关的振荡运动。两个基准的实验和数值结果之间的代表性杆位置误差均在 5% 以内。这些验证证实了目前开发的 LBM-CRM-twFSI 方案对于流体流动中柔性精细结构运动的实用性。所提出的 LBM-CRM-twFSI 方案在风洞中单个柔性结构变形的两个实验基准中得到了成功验证。结果证实，本方案准确地计算了暴露于气流的结构的平衡状态和时间相关的振荡运动。两个基准的实验和数值结果之间的代表性杆位置误差均在 5% 以内。这些验证证实了目前开发的 LBM-CRM-twFSI 方案对于流体流动中柔性精细结构运动的实用性。两个基准的实验和数值结果之间的代表性杆位置误差均在 5% 以内。这些验证证实了目前开发的 LBM-CRM-twFSI 方案对于流体流动中柔性精细结构运动的实用性。两个基准的实验和数值结果之间的代表性杆位置误差均在 5% 以内。这些验证证实了目前开发的 LBM-CRM-twFSI 方案对于流体流动中柔性精细结构运动的实用性。