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interacción fluido-estructura

La interacción fluido-estructura ( IFE ) es la interacción de una estructura móvil o deformable con un flujo de fluido interno o circundante. [ 1 ] Las interacciones fluido-estr...

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La interacción fluido-estructura ( IFE ) es la interacción de una estructura móvil o deformable con un flujo de fluido interno o circundante. [ 1 ] Las interacciones fluido-estructura pueden ser estables u oscilatorias. En las interacciones oscilatorias, la deformación inducida en la estructura sólida provoca su movimiento, reduciendo así la fuente de deformación, y la estructura regresa a su estado original para que el proceso se repita.

Propagación de una onda de presión a través de un fluido incompresible en un tubo flexible.

Ejemplos

Las interacciones fluido-estructura son una consideración crucial en el diseño de muchos sistemas de ingeniería, por ejemplo, automóviles, aeronaves, naves espaciales, motores y puentes. No considerar los efectos de las interacciones oscilatorias puede ser catastrófico, especialmente en estructuras que comprenden materiales susceptibles a la fatiga . El puente Tacoma Narrows (1940) , el primer puente Tacoma Narrows, es probablemente uno de los ejemplos más infames de falla a gran escala. Las alas de las aeronaves y las palas de las turbinas pueden romperse debido a las oscilaciones de la interacción fluido-estructura. Una lengüeta produce sonido porque el sistema de ecuaciones que rige su dinámica tiene soluciones oscilatorias. La dinámica de las válvulas de lengüeta utilizadas en motores de dos tiempos y compresores está regida por la interacción fluido-estructura. El acto de " soplar una frambuesa " es otro ejemplo de esto. La interacción entre componentes de máquinas tribológicas, como cojinetes y engranajes , y el lubricante también es un ejemplo de interacción fluido-estructura. [ 2 ] El lubricante fluye entre los componentes sólidos en contacto y causa deformación elástica en ellos durante este proceso. Las interacciones fluido-estructura también ocurren en contenedores en movimiento, donde las oscilaciones del líquido debidas al movimiento del contenedor imponen magnitudes sustanciales de fuerzas y momentos a la estructura del contenedor que afectan la estabilidad del sistema de transporte de contenedores de manera altamente adversa. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Otro ejemplo destacado es el arranque de un motor de cohete, por ejemplo, el motor principal del transbordador espacial (SSME) , donde la FSI puede generar cargas laterales inestables considerables en la estructura de la tobera. [ 7 ] Además de los efectos impulsados ​​por la presión, la FSI también puede tener una gran influencia en las temperaturas superficiales en vehículos supersónicos e hipersónicos. [ 8 ]

Las interacciones fluido-estructura también desempeñan un papel fundamental en la modelización adecuada del flujo sanguíneo . Los vasos sanguíneos actúan como tubos elásticos que cambian de tamaño dinámicamente cuando hay variaciones en la presión sanguínea y la velocidad del flujo. [ 9 ] No tener en cuenta esta propiedad de los vasos sanguíneos puede llevar a una sobreestimación significativa de la tensión de cizallamiento de la pared (WSS) resultante. Este efecto es especialmente importante a la hora de analizar aneurismas. Se ha convertido en práctica habitual el uso de dinámica de fluidos computacional para analizar modelos específicos de pacientes. El cuello de un aneurisma es la parte más susceptible a los cambios en la WSS. Si la pared del aneurisma se debilita lo suficiente, corre el riesgo de romperse cuando la WSS es demasiado alta. Los modelos FSI contienen una WSS globalmente menor en comparación con los modelos no elásticos. Esto es importante porque una modelización incorrecta de los aneurismas podría llevar a los médicos a decidir realizar cirugía invasiva en pacientes que no presentaban un alto riesgo de ruptura. Si bien FSI ofrece un mejor análisis, conlleva un coste computacional mucho mayor. Los modelos no conformes tienen un tiempo de cálculo de unas pocas horas, mientras que los modelos FSI pueden tardar hasta 7 días en completarse. Esto hace que los modelos FSI sean más útiles para medidas preventivas en aneurismas detectados precozmente, pero inutilizables en situaciones de emergencia donde el aneurisma ya se haya roto. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

Análisis

Los problemas de interacción fluido-estructura y los problemas multifísicos en general suelen ser demasiado complejos para resolverlos analíticamente, por lo que deben analizarse mediante experimentos o simulación numérica . La investigación en los campos de la dinámica de fluidos computacional y la dinámica estructural computacional aún está en curso, pero la madurez de estos campos permite la simulación numérica de la interacción fluido-estructura. [ 14 ] Existen dos enfoques principales para la simulación de problemas de interacción fluido-estructura:

  • Enfoque monolítico: las ecuaciones que rigen el flujo y el desplazamiento de la estructura se resuelven simultáneamente con un único solucionador.
  • Enfoque particionado: las ecuaciones que rigen el flujo y el desplazamiento de la estructura se resuelven por separado, con dos solucionadores distintos.

El enfoque monolítico requiere un código desarrollado específicamente para esta combinación particular de problemas físicos, mientras que el enfoque particionado preserva la modularidad del software gracias al acoplamiento de un solucionador de flujo y un solucionador estructural ya existentes. Además, el enfoque particionado facilita la resolución de las ecuaciones de flujo y las ecuaciones estructurales mediante técnicas diferentes, posiblemente más eficientes, desarrolladas específicamente para cada una de ellas. Por otro lado, en las simulaciones particionadas se requiere el desarrollo de un algoritmo de acoplamiento estable y preciso. En conclusión, el enfoque particionado permite reutilizar el software existente, lo cual representa una ventaja atractiva. Sin embargo, es necesario considerar la estabilidad del método de acoplamiento. Esto resulta especialmente difícil si la masa de la estructura móvil es pequeña en comparación con la masa del fluido desplazado por dicho movimiento.

Además, el tratamiento de las mallas introduce otras clasificaciones del análisis FSI. Por ejemplo, se pueden clasificar como métodos de malla conforme y métodos de malla no conforme. [ 15 ] Otras clasificaciones pueden ser métodos basados ​​en malla y métodos sin malla. [ 16 ]

Simulación numérica

El método de Newton-Raphson o una iteración de punto fijo diferente pueden utilizarse para resolver problemas de interacción fluido-estructura (FSI). Los métodos basados ​​en la iteración de Newton-Raphson se utilizan tanto en el enfoque monolítico [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] como en el particionado [ 20 ] [ 21 ] . Estos métodos resuelven las ecuaciones de flujo no lineales y las ecuaciones estructurales en todo el dominio fluido-sólido con el método de Newton-Raphson. El sistema de ecuaciones lineales dentro de la iteración de Newton-Raphson puede resolverse sin conocer el jacobiano con un método iterativo sin matriz , utilizando una aproximación de diferencias finitas del producto jacobiano-vector.

Mientras que los métodos de Newton-Raphson resuelven el problema de flujo y estructura para el estado en todo el dominio fluido-sólido, también es posible reformular un problema FSI como un sistema con solo los grados de libertad en la posición de la interfaz como incógnitas. Esta descomposición de dominio condensa el error del problema FSI en un subespacio relacionado con la interfaz. [ 22 ] Por lo tanto, el problema FSI puede escribirse como un problema de búsqueda de raíces o un problema de punto fijo, con la posición de la interfaz como incógnita.

Los métodos de interfaz Newton-Raphson resuelven este problema de búsqueda de raíces con iteraciones de Newton-Raphson, por ejemplo, con una aproximación del jacobiano a partir de un modelo de física reducida lineal. [ 23 ] [ 24 ] El método cuasi-Newton de interfaz con aproximación para el inverso del jacobiano a partir de un modelo de mínimos cuadrados acopla un solucionador de flujo de caja negra y un solucionador estructural [ 25 ] mediante la información recopilada durante las iteraciones de acoplamiento. Esta técnica se basa en la técnica cuasi-Newton de bloque de interfaz con una aproximación para los jacobianos a partir de modelos de mínimos cuadrados que reformula el problema FSI como un sistema de ecuaciones con la posición de la interfaz y la distribución de tensiones en la interfaz como incógnitas. Este sistema se resuelve con iteraciones cuasi-Newton de bloque del tipo Gauss-Seidel y los jacobianos del solucionador de flujo y del solucionador estructural se aproximan mediante modelos de mínimos cuadrados. [ 26 ]

El problema de punto fijo se puede resolver con iteraciones de punto fijo, también llamadas iteraciones de Gauss-Seidel (por bloques), [ 21 ] lo que significa que el problema de flujo y el problema estructural se resuelven sucesivamente hasta que el cambio sea menor que el criterio de convergencia. Sin embargo, las iteraciones convergen lentamente, si es que convergen, especialmente cuando la interacción entre el fluido y la estructura es fuerte debido a una alta relación de densidad fluido/estructura o a la incompresibilidad del fluido. [ 27 ] La ​​convergencia de las iteraciones de punto fijo se puede estabilizar y acelerar mediante la relajación de Aitken y la relajación de descenso más pronunciado, que adaptan el factor de relajación en cada iteración en función de las iteraciones anteriores. [ 28 ]

Si la interacción entre el fluido y la estructura es débil, solo se requiere una iteración de punto fijo dentro de cada paso de tiempo. Estos métodos denominados escalonados o débilmente acoplados no imponen el equilibrio en la interfaz fluido-estructura dentro de un paso de tiempo, pero son adecuados para la simulación de aeroelasticidad con una estructura pesada y bastante rígida. Varios estudios han analizado la estabilidad de algoritmos particionados para la simulación de la interacción fluido-estructura [ 27 ] [ 29 ] [ 30 ] . [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]

Véase también

Códigos de código abierto

  • solids4Foam , una caja de herramientas para OpenFOAM con capacidades para mecánica de sólidos e interacciones fluido-sólido.
  • oomph-lib
  • Página de Elmer FSI
  • Solucionadores biomédicos CBC.solve
  • preCICE (software)
  • La biblioteca multifísica SPHinXsys proporciona API de C++ para una simulación físicamente precisa y tiene como objetivo modelar sistemas dinámicos industriales acoplados, incluyendo dinámica de fluidos, sólidos, multicuerpos y más allá, con SPH (hidrodinámica de partículas suavizadas), un método computacional sin malla que utiliza la discretización de partículas.

Códigos académicos

  • Métodos estocásticos de contorno inmerso en 3D, P. Atzberger, UCSB
  • Método de contorno inmerso para mallas adaptativas en 3D, B. Griffith, NYU.
  • Método de contorno inmerso para mallas uniformes en 2D, A. Fogelson, Utah
  • IFLS, IFL, TU Braunschweig

Códigos comerciales

  • Acoplamiento multifísico de Abaqus
  • Aplicaciones de AcuSolve FSI
  • Página principal de ADINA FSI archivada el 28/04/2021 en Wayback Machine .
  • Página principal de Ansys sobre FSI
  • Altair RADIOSS
  • Simulación CFD de Autodesk
  • Simcenter STAR-CCM+ de Siemens Digital Industries Software
  • CoLyX - FSI y transformación de mallas de EVEN - Evolutionary Engineering AG
  • Acoplamiento multifísico Fluidyn-MP FSI Archivado el 17/05/2014 en Wayback Machine
  • Página principal de COMSOL FSI
  • Página principal de MpCCI
  • MSC Software MD Nastran
  • Software MSC Dytran
  • FINE/Oofelie FSI: Totalmente integrado y fuertemente acoplado para una mejor convergencia. Archivado el 1 de abril de 2012 en Wayback Machine.
  • Página principal de LS-DYNA
  • Fluidyn-MP FSI: Interacción fluido-estructura
  • CompassFEM Tdyn
  • CompassFEM SeaFEM
  • Software CFD Cradle SC/Tetra
  • Página principal de paracaídas FSI

Referencias

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Lecturas adicionales

Modarres-Sadeghi, Yahya: Introducción a las interacciones fluido-estructura, 2021, Springer Nature, 978-3-030-85882-7, http://dx.doi.org/10.1007/978-3-030-85884-1 Introduce el tema de las interacciones fluido-estructura (FSI) a estudiantes y profesionales y analiza las ideas principales en FSI con el objetivo de proporcionar una comprensión fundamental a los lectores que poseen una comprensión limitada o nula del tema.