Análise numérica de problemas de interação fluido-estrutura com vorticidade

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Yokomizo, Matheus Haubert
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: large eddy simulation; variational multi-scale; escoamento turbulento; finite element method; fluid-structure interaction; interação fluido-estrutura; método dos elementos finitos; turbulent flow
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18134/tde-23072024-150847/

Os problemas de interação fluido-estrutura estão amplamente presentes na engenharia e devem ser adequadamente considerados durante o projeto estrutural, no entanto, apresentam diversos desafios à simulação computacional. Com o objetivo principal de desenvolver e avaliar metodologias para lidar com esses desafios, este trabalho apresenta um estudo sobre ferramentas computacionais para simulação numérica de problemas de interação fluido-estrutura (IFE) com foco em escoamentos incompressíveis com efeitos de vorticidade e turbulência interagindo com estruturas elásticas sujeitas a grandes deslocamentos. Primeiramente, explora-se uma formulação do Método dos Elementos Finitos (MEF) para escoamentos incompressíveis com estabilização dos termos convectivos (SUPG) e da pressão (PSPG), empregando a descrição LagrangianaEuleriana arbitrária (ALE) para permitir a movimentação da interface fluido-estrutura. Na sequência, implementa-se a formulação variacional multiescala (VMS) e o modelo Large Eddy Simulation (LES) para capturar os efeitos de turbulência, buscando simulações mais realistas e eficientes. As estruturas são modeladas por elementos de casca de Reissner-Mindlin, permitindo a simulação de diversos problemas com estruturas esbeltas ou espessas. Emprega-se uma formulação do MEF baseada em posições, a qual naturalmente engloba os efeitos da não linearidade geométrica. A malha do fluido é deformada dinamicamente empregando-se um modelo baseado na equação de Laplace, de modo a permitir a conformidade com a interface fluido-estrutura preservando a qualidade da malha. O acoplamento fluido-estrutura é realizado de forma particionada forte, permitindo a solução do problema não linear acoplado de forma bloco-iterativa e conferindo modularidade ao código computacional. Os resultados obtidos foram comparados com resultados da literatura, demonstrando a eficácia e a aplicabilidade das metodologias estudadas no contexto da engenharia estrutural e fluidodinâmica. Nota-se que o emprego do VMS melhora ligeiramente os resultados em comparação com a simulação direta empregado SUPG/PSPG. Já a aplicação do LES melhora significativamente a qualidade dos resultados, principalmente em problemas com número de Reynolds elevados, permitindo a obtenção de solução estável mesmo com uma discretização menos refinada na região de maiores gradientes de velocidade.