Case – Fluid struktur interaktion

Formål

Simulering af Fluid Struktur Interaktions (FSI) omhandler interaktionen mellem fluider i bevægelse og strukturelle deformationer af elastiske strukturer. Vingeprofiler, forbrændingsmotorer, kompressorer, containere og menneskelige lunge- og hjertesystemer er eksempler på ingeniør- og naturlige fænomener, hvor effekterne af fluid-struktur-interaktion er kritiske at tage i betragtning. På grund af det store antal relevante ingeniøranvendelser er det vigtigt at udvikle Fluid Struktur Interaktions-simulationer, som kan modellere disse effekter. Med inspiration fra det berømte videnskabelige Turek og Hron problem i [1] demonstrerer vi, hvordan simulering af Fluid Struktur Interaktion kan anvendes til at modellere den tidsafhængige kobling mellem en fluid i bevægelse og en elastisk struktur.

Simuleringsopsætning

Turek og Hron-benchmarket er inspireret af det velkendte problem med et flow omkring en cylinder og tager udgangspunkt i en cylinder med en elastisk hale placeret i en horisontal kanal og påvirket af en vertikal strømning. Strømningen antages at være laminar, inkompressibel og tidsafhængig, og soliden antages at være kompressibel, lineær elastisk og tidsafhængig. Da størrelserne af de strukturelle deformationer er store for det studerede problem, modellerer vi interfacet mellem strukturen og fluidet med en interfacemodel og en deformerbar mesh. Et anden-ordens Newmark tidsløsningsskema anvendes til at modellere den tidsafhængige afhængighed mellem finite element formuleringen af den elastiske struktur og finite-volume formuleringen af strømningen. Af illustrative grunde har vi begrænset problemet til to dimensioner og laminar flow, men metoden generaliserer til mere komplekse modeller.

Resultater

På baggrund af Fluid Struktur Interaktions-simuleringen er følgende resultater opnået. Når strømningen overgår til det transitionale regime og skifter fra statisk til ustatisk, bliver trykfeltet og dermed traktionskræfterne mellem flowet og strukturen asymmetriske. På grund af de tidsafhængige og asymmetriske kræfter samt koblingen mellem fluiden og strukturen begynder strukturen at oscillere. Det deformérbare mesh stabiliserer formen af cellerne og sikrer, at det ikke er nødvendigt at remeshe efter hvert tidsskridt. For at demonstrere det deformerbare mesh har vi nedenfor vist et billede af meshet i et udeformeret og deformeret stadie.

Med reference til tidsserien af de strukturelle deformationer, trykfeltet og hastighedsfeltet i figurerne nedenunder bemærker vi, at de strukturelle deformationer er store sammenlignet med længdeskalaerne i flowet.

Reaktionskræfterne fra fluiden på strukturen kan bruges til at illustrere koblingen mellem strømningen og strukturen. Reaktionskræfterne og von Mises-spændingerne i strukturen er plottet i den nedenstående film.

Dette casestudie tjener som et eksempel på et problem, hvor det er vigtigt at modellere effekterne mellem flowet og de strukturelle deformationer. Hvis din virksomhed udfordres af problemer, hvor fluid-struktur-interaktions effekter er kritiske, kan Aerotak tilbyde specialistviden og know-how til at løse dem.

Referencer

[1] Turek, Stefan, and Jaroslav Hron. "Proposal for numerical benchmarking of fluid-structure interaction between an elastic object and laminar incompressible flow." Fluid-structure interaction. Springer, Berlin, Heidelberg, 2006. 371-385.