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O que é o acoplamento Fluido-Estrutura?

1. Introdução


Interação Fluido-Estrutura consiste numa análise multi-física que realiza o acoplamento entre as leis que descrevem a fluidodinâmica e a mecânica estrutural. Esse fenômeno é caracterizado pela interação entre uma estrutura móvel ou deformável e um fluxo de fluido em contato com tal estrutura.


Problemas envolvendo interação fluido-estrutura são comuns e críticas em muitas aplicações práticas, tais como na operação de turbinas eólicas, indústria aeronáutica, equipamentos submersos, indústria de óleo e gás, fluxo sanguíneo no corpo humano dentre outras.


Quando um fluxo de fluido encontra uma estrutura, tensões e deformações são exercidas no objeto sólido. Essas deformações podem ser grandes ou pequenas, dependendo da pressão e da velocidade do fluxo e das propriedades do material da estrutura real.


Se as deformações da estrutura são muito pequenas e as variações no tempo também são relativamente lentas, o comportamento do fluido não será muito afetado pela deformação, e podemos nos preocupar apenas com as tensões resultantes nas partes sólidas. No entanto, se as deformações da estrutura forem grandes, os campos de velocidade e pressão do fluido mudarão como resultado, e precisamos tratar o problema como uma análise multifísica bidirecionalmente acoplada: O fluxo de fluido e os campos de pressão afetam as deformações estruturais, e as deformações estruturais afetam o fluxo e a pressão.



2. Formas de Acoplamento


Dentre as estratégias de soluções de problemas envolvendo simulações FSI podemos citar os métodos de acoplamento one-way e o two-way. Na modalidade one-way o fluxo de dados é trocado apenas uma vez entre as rodadas CFD e FEA. Já na modalidade two-way há a constante troca de informações entre as duas naturezas de simulação. O método de acoplamento two-way fornece resultados mais próximos da realidade física, porém necessita de maior tempo de simulação e maior poder computacional.


LEGENDA: Acoplamento one-way


Independentemente do ​​método de acoplamento, as soluções são baseadas em um método particionado onde soluções separadas para os diferentes campos físicos são preparadas. Um campo que precisa ser resolvido é a dinâmica dos fluidos, o outro é a dinâmica da estrutura. No limite entre fluidos e sólidos, a interface fluido-estrutura, as informações para a solução são compartilhadas entre o solver fluidodinâmico e o solver estrutural. As informações trocadas dependem do método de acoplamento. Para o método de acoplamento one-way, apenas a força do fluido que atua na estrutura é transferida para o solver de estrutura. Para cálculos de acoplamento two-way, o deslocamento da estrutura resultante do carregamento é transferido para o solver fluidodinâmico. Em cálculos de acoplamento two-way, a deformação da fronteira entre fluido e sólido deforma a malha do fluido.


LEGENDA: Acoplamento two-way


3. Implementação


Do ponto de vista prático, a implementação de soluções envolvendo o acoplamento one-way pode ser feito a partir da exportação dos resultados da simulação fluidodinâmica, interpolação dos mesmos em função dos nós da malha estrutural e aplicação de tais carregamentos no modelo mecânico. Dessa forma é possível tratar este problema em etapas a partir de conexões efetuadas com algoritmos de programação.


Devido a sua característica, o acoplamento two-way necessita ou de uma plataforma de simulação embarcada, ou de plugins que comuniquem os solvers fluidodinâmico e estrutural. Essa dependência é necessária uma vez que os resultados da análise fluidodinâmica impõe esforços no modelo estrutural, que estes por sua vez modificam a malha do modelo, sendo necessário uma constante troca de dados.

Vale ressaltar que em acoplamentos FSI o campo de temperatura da análise fluidodinâmica pode ser uma variável a ser considerada para o cálculo estrutural pois estes causam deformações por dilatação ou contração.


4. REFERÊNCIAS:


Friedrich-Karl Benra, Hans Josef Dohmen, Ji Pei, Sebastian Schuster, Bo Wan, "A Comparison of One-Way and Two-Way Coupling Methods for Numerical Analysis of Fluid-Structure Interactions", Journal of Applied Mathematics, vol. 2011.


Zienkiewicz, Olek C., and Robert L. Taylor. "The Finite Element Method for Fluid Dynamics". Sétima edição. Elsevier, 2013.


Fluid-Structure Interaction. COMSOL, 2015. Disponível em: <https://www.comsol.com/multiphysics/fluid-structure-interaction>. Acesso em: 06 jan. 2022.


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