Modelado computacional por el método de elementos finitos de la dinámica de sistemas con interacción entre fluidos y estructuras elásticas. / Computational modeling of the dynamics of systems with interation between fluids and elastic structures using the finite element method.

Alderete Tommasi, Francisco M. (2018) Modelado computacional por el método de elementos finitos de la dinámica de sistemas con interacción entre fluidos y estructuras elásticas. / Computational modeling of the dynamics of systems with interation between fluids and elastic structures using the finite element method. Master in Engineering, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.

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Spanish
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Abstract in Spanish

Los problemas de interaccion fluido-estructura (IFE) son problemas en los cuales hay un acoplamiento multifsico entre las ecuaciones que rigen la dinámica de estructuras con las ecuaciones de la fluidodinamica. En el presente trabajo se busca desarrollar una herramienta computacional capaz de resolver problemas de interacción fluido-estructura en transitorios temporales. Se utiliza un enfoque immALE para resolver el problema de IFE. El mismo combina propiedades del método de sólidos inmersos con una formulación de Euler-Lagrange Arbitraria (ALE). La misma se desarrolla sobre la plataforma general de codificación de elementos finitos en arquitecturas distribuidas PARGPFEP, desarrollada en el departamento de Mecánica Computacional del Centro Atómico Bariloche. Se realiza una descripción del código desarrollado y los fundamentos teóricos en que se basa el mismo. Luego se presenta una validación de este utilizando casos sencillos con soluciones conocidas. En primera instancia se simula la deflexión de una viga en voladizo con una carga concentrada en su extremo libre. Se compara la solución numérica obtenida con la solución analítica a la cual se arriba aplicando la teoría de vigas de Euler-Bernoulli. En segunda instancia se simula el flujo pistón en un canal bidimensional parcialmente obstruido por un obstáculo rectangular elástico. Se compara la solución obtenida con la solución analítica del problema. En tercera instancia se simula el flujo incompresible a través de un canal tridimensional obstruido por un cilindro solido elástico. Para este ultimo caso se evalúa la frecuencia de desprendimiento de vórtices de Von Karman y se compara la misma con la obtenida mediante correlaciones empíricas. Finalmente se estudia la influencia de este fenómeno en la estructura elástica.

Abstract in English

Fluid-Solid interaction (FSI) problems are those in which there is a multiphysic coupling of the governing equations for structural and fluid dynamics. In this work, the development of a computational tool able to solve fluid structure interaction problems is sought. For this purpose, an ImmALE approach is used. The latter combines properties of the immersed domains method and the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation. The code is implemented using the Parallelized General Purpose Finite Element Platform PARGPFEP, which was developed in the Computational Mechanics Department at the Bariloche Atomic Center. To begin with, a description of the developed code and the theoretic fundamentals behind it is presented. After that, a validation of the presented code using problems with known solutions is performed. On a rst stage, the proposed code is used to calculate the de effection of a cantilever beam with a concentrated load on its free end. The numerical solution is then compared with the analytical solution obtained by applying the Euler-Bernoulli beam theory. Secondly, the code is used to solve the problem of an incompressible flow throughout a two-dimensional channel partially obstructed by an elastic rectangular solid body. The solution is then compared with a known analytical solution. After this, a solution for the flow throughout a three-dimensional channel with an elastic cylindrical obstruction is computed. For a particular range of Reynolds numbers, a Von Karman Vortex street is observed. The vortex shedding frequency obtained with the numerical method is then compared with the one given by empirical correlations. Finally, the influence of this phenomenon over the solid body is studied.

Item Type:Thesis (Master in Engineering)
Keywords:Computational fluid dynamics; Dinámica de fluidos computacional; Finite element method; Método de elementos finitos; Elastic properties; Propiedades elásticas
References:[1] Luraghi, G., Wu, W., Gaetano, F. D., Matas, J. F. R., Moggridge, G. D., Serrani, M., et al. Evaluation of an aortic valve prosthesis: Fluid-structure interaction or structural simulation? Journal of Biomechanics, 58, 45-51, 2017. iv, 2 [2] Hou, G. H.,Wang, J., Layton, A. Numerical methods for fluid-structure interaction - a review. Commun. Comput. Phys., 12, 337-377, 2012. iv, 7, 10 [3] Figueroa, A. A., Weht, G., Sacco, C. G., Chang, S. C. C. Aeronautica compresible inestacionaria. Congreso Argentino de Ingeniería Aeronáutica, 3, 2014. iv, 8 [4] Blanco, P. J., Feijoo, R. A., Dari, E. A. A variational framework for fluid-solid interaction problems based on immersed domains: Theoretical bases. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 197, 2353-2371, 2008. iv, 12, 13, 57 [5] White, F. M. Fluid Mechanics. McGraw-Hill, 2003. v, 31, 40, 58, 63 [6] Techet, A. H. Vortex induced vibration i. MIT OpenCourseWare, 2005. v, 41 [7] Modelado de problemas de interacción fluido-estructura con comsol. URL https://www.addlink.es/noticias/comsol/ 2616-modelado-de-problemas-de-interaccion-fluido-estructura-con-comsol. [8] Marquez Turiello, R. L. A., Padra, C., Scheble, M. Modelado eciente de Vibraciones de Sistemas con interacción fluido-estructura. Tesis de Maestría - Instituto Balseiro, 2015. 2 [9] Dari, E. A., Blanco, P. J., Feijoo, R. A. A computational strategy for fluidstructure interaction combining immersed domains and a body-tted approach. Mecánica Computacional, 29, 3037-3051, 2010. 4, 11, 16, 57 [10] Burden, R. L., Faires, J. D., Burden, A. M. Análisis Numérico. Cengage, 2016. 16 [11] Blanco, P. J., Feijoo, R. A. Incompatibilidade Cinemática, Imersao de Domínios e Modelagem Constitutiva de Multiescala: Nexo com a Modelagem do Sistema Cardiovascular. Tese doutor em ciencias - Laboratorio Nacional de Computacao Cientíca, 2008. 16 [12] Gadur, S. N., Dari, E. A., Palacios Amaya, M. A. Modelado de válvulas de accionamiento pasivo mediante la técnica de sólidos inmersos. Tesis de Grado - Instituto Balseiro, 2017. 16, 30, 31 [13] Buscaglia, G. C. Documentación GPFEP. Departamento de Mecánica Computacional, Centro Atómico Bariloche, 1995. 21 [14] URL https://www.paraview.org. 22 [15] Geuzaine, C., Remacle, J. F. Gmsh: a three-dimensional nite element mesh generator with built-in pre- and post-processing facilities. URL gmsh.info. 22 [16] Dari, E. A., Venere, M. Algoritmos eficientes para la búsqueda del elemento de una red que contiene a un punto dado.". Mecánica Computacional, 10, 455-464, 1991. 23 [17] Williamson, C. H. K. Vortex dynamics in the cylinder wake. Annual Review Fluid Mechanics, 28, 477-539, 1996. 31, 46, 50, 58 [18] Timoshenko, S. Resistencia de materiales, tomo II. Ed. ESPASA-CALPE S. A., 1957. 57, 60
Subjects:Physics > Multifísica computacional
Divisions:Gcia. de área de Aplicaciones de la tecnología nuclear > Gcia. de Investigación aplicada > Mecánica computacional
ID Code:777
Deposited By:Tamara Cárcamo
Deposited On:12 Jul 2019 12:27
Last Modified:12 Jul 2019 12:27

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