Fluid Struktur Interaktion

Casestudie – Simulering af 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 kritsk at tage i betragtning. På grund af det store antal af relevante ingeniøranvendelser, så er det vigtigt at udvikle Fluid Struktur Interaktions simuleringer 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 and tager udgangspunkt i en cylinder med en elastisk hale placeret i en horisontal kanal og påvirket af en vertikal strømning. Strømningen er antaget at være laminar, inkompressibel og tidsafhængig og soliden er antaget at være kompressibel, linear elastisk og tidsafhængig. Da størrelserne af de strukturelle deformationer er store for det studerede problem, modellerer vi interfacet mellem strukturen og fluid med en interface model og en deformerbart mesh. Et andet grads Newmark tidsløsningsskema anvendes til at modellere den tidsafhængige afhængighed mellem finite element formulering af den elastiske struktur og finite volume formuleringen af strømningen. Af illustrative grunde, har vi begrænset problemet til to dimensioner og laminare flow, men metoden generaliserer til mere komplekse modeller.

numerical setup for the turek and hron benchmark fluid structure interaction problems

Resultater

På baggrund af Fluid Struktur Interaktions simuleringen er følgende resultater opnået. I det strømningen overgår til det transitionale regime og skifter fra statisk til ustatisk, bliver trykfeltet og dermed traktionkræfterne mellem flowet og strukturen asymetriske. På grund af de tidsafhængige og asymetriske kræfter og koblingen mellem fluiden og strukturen, begynder strukturen at oscillere. Det deformérbare mehs stabiliserer formen af cellerne og sikrer at det ikke er nødvendigt at re-meshe efter hvert tidsskridt. For at demonstrere det deformerbare mesh, har vi nedenunder 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 koplingen mellem strømningen og strukturen. Reaktionskræfterne og von Mises spændingerne i strukturen er plottet i nedenstående film.

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

[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.