Advanced methods for fluid-structure interaction in case of deformable bodies
Author(s)
Stefanini, Chiara
Date Issued
April 29, 2022
Type
Doctoral Thesis
Abstract
Fluid-structure interaction (FSI) problems regard multiphysics systems where structures interact with fluid flows. The structure is subjected to flow-related loads; as a consequence, structural displacements and oscillations influence the fluid motion field. Many engineering fields require the resolution of FSI problems, yet a comprehensive study of such problems remains a challenge due to their strong non-linearity and multidisciplinary nature. To investigate the physics involved in this complex interaction, numerical simulations may be employed. The research activity here proposed aimed at giving an improvement to the scientific knowledge about fluid-structure interaction through the development of modSFsiFoam (MODalSuperpositionFsiFoam) solver in OpenFOAM, an opensource software developed for Linux distributions and released under a GPL license with the C++ source code.
The partitioned approach has allowed treating the multi-physics phenomenon as two different computational fields, with their respective mesh discretization and algorithms. It has enabled the application of two different methods for fluid and solid solutions. In particular, the solver code is based on a theoretical approach, the modal superposition principle, for the structural solution; this method provides a certain result for the linear structural field. The FVM (Finite Volume Method), by far the most widely used method for fluid-dynamics and gas-dynamics problems, has been used instead to solve the Navier-Stokes equations for an incompressible laminar flow of Newtonian fluid. The interfacial conditions have been used to pass information between the domains through a coupling algorithm.
Satisfactory results were obtained from the application of the solver to two FSI problems known in the scientific literature.
I problemi di interazione fluido-struttura (FSI) riguardano sistemi multifisici in cui una struttura `e chimatata ad interagire con un fluido. La struttura `e soggetta a carichi correlati alla presenza del fluido; spostamenti e oscillazioni della struttura influenzano il campo di moto del fluido stesso. Molti campi
dell’ingegneria richiedono la risoluzione di problemi FSI, ma uno studio esaustivo di tali fenomeni rimane ancora una sfida per via della loro forte non-linearit`a e della natura multidisciplinare. Per studiare la fisica coinvolta in questa complessa interazione, possono essere impiegate simulazioni numeriche.
L’attivit`a di ricerca qui proposta ha avuto come scopo quello di migliorare le conoscenze scientifiche sull’interazione fluido-struttura attraverso lo sviluppo del solutore modSFsiFoam (MODalSuperpositionFsiFoam) in OpenFOAM, un software open-source sviluppato per distribuzioni Linux e rilasciato sotto licenza GPL con il codice sorgente in C++.
L’approccio partizionato ha permesso di trattare il fenomeno multifisico come due diversi campi computazionali, con le rispettive discretizzazioni di mesh e algoritmi. Ha permesso inoltre l’applicazione di due metodi differenti per la ricerca della soluzione fluidodinamica e strutturale. Nel dettaglio, il codice sorgente si basa su un approccio teorico, il principio di sovrapposizione modale, per il computo della soluzione strutturale; questo metodo fornisce un risultato esatto in campo lineare elastico. Il FVM (Finite Volume Method), di gran lunga il metodo pi`u sfruttato nel tempo per problemi di fluidodinamica e gas-dinamica, `e stato invece utilizzato per risolvere le equazioni di Navier-Stokes per un flusso laminare incomprimibile di fluido newtoniano. Condizioni all’interfaccia sono state utilizzate per passare informazioni tra i domini attraverso un algoritmo di accoppiamento. L’applicazione del solutore a due problemi FSI noti in letteratura scientifica ha fornito risultati soddisfacenti.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment
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cstefanini_tesid.pdf
Size
1.31 MB
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Adobe PDF
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