Interazione fluido-struttura

L' interazione fluido-struttura o IFS (in inglese, interazione fluido-struttura o ISP ) è lo studio del comportamento di un solido immerso in un fluido , la risposta può essere fortemente influenzata dall'azione del fluido. Lo studio di questo tipo di interazione è motivato dal fatto che i fenomeni che ne derivano sono talvolta catastrofici per le strutture meccaniche o nella maggioranza dei casi costituiscono un importante fattore di dimensionamento.

Principio di interazione

Il fluido , caratterizzato dal suo campo di velocità e pressione, esercita forze aerodinamiche ( forze di pressione) sulla superficie bagnata del solido che si muove e/o si deforma sotto la loro azione. ${\ matematica {F}}$ ${\ displaystyle {\ mathcal {F}} _ {a}}$ ${\ matematica {io}}$ ${\ matematica {S}}$

Lo spostamento e/o la deformazione del solido influenza, almeno localmente, il campo del flusso e di conseguenza la direzione e l'intensità dei carichi aerodinamici: questo ciclo delle interazioni tra fluido e solido è caratteristico dell'accoppiamento tra i due sfondi. La natura di questo accoppiamento dipende dai sistemi e in certi casi si può considerare solo l'azione del fluido sul solido (o viceversa), nel qual caso si parla di accoppiamento debole . Diversamente, l' anello di retroazione ha un'azione significativa e l'accoppiamento si dice forte , il che si traduce nel fatto che la modifica di uno solo dei parametri o ) destabilizza l'intero ciclo che deve convergere verso un nuovo stato d' equilibrio. ${\ displaystyle {\ mathcal {F}}, {\ mathcal {F}} _ {a}, {\ mathcal {I}}}$ ${\ matematica {S}}$

Manifestazioni di interazione

I fenomeni di interazione fluido-struttura sono comuni e talvolta sono all'origine del funzionamento di alcuni sistemi, o al contrario manifestano una disfunzione. Quindi, il flusso attraverso un'elica , o l'azione del vento sulla vela di una barca può spingere un sistema, ma anche le vibrazioni prodotte dal flusso sono una potenziale fonte di danno. Questo tipo di vibrazione si manifesta in particolare sulle ali degli aerei , in fasci di tubi cilindrici come quelli riscontrati nei generatori di vapore nucleari , o anche sui cavi di ormeggio delle piattaforme petrolifere offshore .

In questo caso le vibrazioni alterano l'integrità delle strutture e devono essere prevedibili per evitare l'usura accelerata del sistema per fatica del materiale, o addirittura la sua distruzione quando le vibrazioni superano una certa soglia. Era infatti dopo l'accoppiamento tra il vento e la struttura deformabile del ponte che il ponte Tacoma stretto crollato7 novembre 1940.

Simulazione numerica dell'interazione

La previsione dei fenomeni di instabilità causati dall'accoppiamento tra il fluido e la struttura è quindi di capitale importanza poiché questi limitano in molti casi il range di funzionamento degli impianti. In passato, fluidi e solidi venivano trattati separatamente e si teneva conto, ad esempio, solo dell'azione del fluido sul solido. Questo tipo di previsione si è rivelata insufficiente in molti casi e al momento stiamo cercando di modellare il ciclo completo di interazione tra i due media. Le simulazioni numeriche effettuate si basano il più delle volte su una modellazione semplificata di uno dei due mezzi, oppure fanno ricorso a specifiche procedure di accoppiamento che consentono di operare insieme i codici di calcolo appositamente sviluppati per il fluido da un lato e la struttura del l'altro.

Distinguiamo quindi generalmente tre tipi di approcci per modellare l'accoppiamento:

l'approccio semplificato consiste nel cercare di disaccoppiare le equazioni di ciascun mezzo esprimendo un sistema in funzione dell'altro. In alcuni casi è possibile trovare un'espressione analitica che rappresenti l'azione di un sistema sull'altro. Pertanto, le forze aerodinamiche esercitate su un profilo alare possono essere espresse, sotto determinate ipotesi semplificative, in funzione della deformazione del profilo. Questa pratica è stata ampiamente utilizzata, in particolare per comprendere il battito delle ali degli aeroplani.
l'approccio traslato o partizionato permette di risolvere, utilizzando codici di calcolo dedicati, la fisica del fluido da un lato e del solido dall'altro. Per ogni supporto viene utilizzato un codice informatico specifico e la difficoltà consiste nel passare le informazioni da un codice all'altro. Inoltre, i codici non operano simultaneamente ma in successione, il che introduce un ulteriore errore numerico che può essere fatale per la simulazione.
l'approccio monolitico rappresenta teoricamente la soluzione ottimale poiché il fluido e il solido vengono elaborati dallo stesso codice informatico. Tuttavia, quando le geometrie o la fisica del problema da trattare diventano complesse questo tipo di metodo non è più possibile in quanto ogni mezzo (fluido o solido) richiede specifiche procedure di calcolo numerico.

Ogni metodo presenta vantaggi e svantaggi, ma in pratica l'approccio scaglionato viene utilizzato per la maggior parte del tempo. In effetti, l'approccio semplificato è insufficiente nella maggior parte dei casi poiché il feedback da un ambiente all'altro è scarsamente preso in considerazione. Quest'ultimo tipo di approccio è generalmente poco concepibile per affrontare configurazioni complesse, tanto più che il formalismo utilizzato per modellare fluidi e solidi generalmente differisce: la formulazione lagrangiana è utilizzata preferenzialmente per descrivere i solidi, mentre i fluidi sono trattati piuttosto in un approccio euleriano . L'approccio scaglionato costituisce quindi una valida alternativa, tanto più che consente di riutilizzare le procedure di calcolo proprie di ciascun mezzo. La difficoltà risiede nell'elaborazione dell'interazione che richiede lo sviluppo di algoritmi di accoppiamento efficienti.

La simulazione numerica consente quindi di rappresentare fenomeni fisici complessi indotti da fenomeni di interazione. Ad esempio, un cilindro flessibile viene messo in movimento dal periodico distacco di vortici nella sua scia ( vicoli di Von Karman ): l'emissione di vortici provoca forze aerodinamiche fluttuanti, che mettono in movimento il cilindro e ne mantengono le oscillazioni.

Vedi anche

link esterno

(it) Introduzione all'interazione fluido-struttura

Bibliografia

F. Axisa, Modellazione di sistemi meccanici. Interazione fluido-struttura , Elsevier, 2006
E. de Langre, Fluidi e solidi , Éditions de l'École Polytechnique, 2002
HJ-P. Morand & R. Ohayon, Interazione fluido-struttura , Wiley, 1995
JF Sigrist, Interazioni fluido-struttura. Analisi delle vibrazioni agli elementi finiti , Ellissi, 2011
JF Sigrist, Interazione fluido-struttura: un'introduzione all'accoppiamento ad elementi finiti , Wiley, 2015