A study of hydroelastic fluid-structure interaction with application to immersed cantilevers

Abstract

This study presents an approach for partitioned fluid-structure interaction (FSI) applied to large structural deformations, where an incompressible turbulent solver is combined with a structural solver. The implementation is based upon two different open-source libraries by using MPI as a parallel communication protocol, the packages deal.II and OpenFOAM. FSI is achieved through a strongly-coupled scheme. The solver has been validated against cases with a submerged cantilever in a channel flow to which experiments, numerical calculations and theoretical solutions are available. The verification of the procedure is performed by using a solid-solid interaction (SSI) study.The solver has proven to be robust and has the same parallel efficiency as the fluid and the solid solver stand-alone.

Abstract (Swedish)

Inom beräkningskemi arbetar man mer med molekyler än atomer, studerar stökiometriska relationer, kinetik och geometri, interatomära eletronövergångar medan beräkningsfysik studerar mer atomer och dess kärnor, fasta tillståndet och intraatomära övergångar, oftast närmast mot atomens kärna. Interaktionerna sker på en storleksskala på nanometer eller mindre med energiövergångar som är diskontinuerliga, kvantiserade tillstånd, vilket utgör en av kvantmekanikens hörnstenar och beskriver båda disciplinerna. Med ökat antal atomer börjar interaktionerna mellan atomerna sudda ut identiteten av de individuella bidragen, och den fysikaliska beskrivningen övergår
till statistiska beskrivning av ensemble av atomer/molekyler, gradvist övergående till medium av materia, tillstånd med dess lägesenergier och hastighet av materie punkter, till den grad att dessa ändringar blir synliga för ögat och den statistiska partikel beskrivningen övergår till tillstånds variabler, den klassiska mekaniken med Newtons lagar i dess centrum med kontinuerlig variation av energi. Dessa tre discipliner, utgör de grundstenar till vilket ingenjörskunskap vilar på, vars konstruktioner utgör grunden för vår moderna civilisation. Konstruktioner involverar oftast växelverkan mellan olika material tillstånd. De fundamentala material tillstånd man oftast talar om är gas, flytande och fasta tillståndet och energiövergångar är material punkternas ändring i kinetik, den inre energin med dess övergångar uttryckt i ändring av antingen tryck, värme, lägesenergi, elektricitet eller magnetism. I studie av flöde och kraftpåverkan under normala förhållande, som påverkar vardagen och dess mekaniska tillämpningar är mest centrerad kring gravitation, tryck och kinetik av kroppar. När man åtsidosätter energetiska dissipationer och permanenta form ändringar av kroppar så studerar man elastiska interationer. När man dessutom begränsar sig mot interaktionen mellan fasta strukturer, dvs konstruktioner, och vätskor, hamnar man inom ämnet fluid-struktur interaktion (FSI) med hydroelastisk tillämpning. Mer specifikt rör det sig om vibrationer, töjningar, sträckning av strukturer, som mäts iform av frekvens och utböjningsstorlek. Detta omfattar ett område som har rönt stort intresse under de senaste årtiodena, från makroskopisk skala med marina tillämpningar som oljeplattformar, rörsystem under vatten och transport av vätskor i processindustri, ned till mikroapplikationer som t.ex. sensorsystem för mätning av tryck och flöde. Att minimera utmattningsskador/slitage som uppstår genom strömning som inducerar vibrationer i struktur är ett väsentlig moment i design, konstruktion och underhåll. I många applikationer strävar man även efter att maximera interaktionen, tex vinge/rotor/turbin och förbränningsmotorer. Att uppskatta effekten av FSI gör man genom experiment där man ofta skalar ned applikationen till modellstorlek, och sedan genom vindtunnlar/bassänger studerar kraftöverföring och mäter frekvens och amplituder på inducerade vibrationer. Sådana experiment är ibland inte genomförbara, och därför är oftast mätning på applikation i dess naturliga storlek det enda sättet för att förutsäga dessa effekter, experiment eller simulering. Detta arbete går igenom metodiken
kring hur man skapar simuleringsverktyg, undersöker dess parameterberoende och utvärderar dess tillämpbarhet. Applikationsområdet i denna studie är gummipelare nedsänkta i vatten i meterskala, där flöde induceras av rörelse av strukturen, eller låter man kanalströmning generera rörelse av strukturen, varmed FSI skapas. Detta är geometriskt och kinematiskt ekvivalent genom likhetstransformation med sensorsystem i mikroskala där kiselstrukturer nedsänkta i vätska mäter t.ex. tryck/flödeshastighet.
Ett program som löser FSI problemet i helhet, både fluid och struktur samtidigt, kallas monolitlösare, men man kan även lösa detta genom fixpunktslösning, där in och utdata från fristående program på struktur och fluid överförs mellan varandra genom ett kopplingsschema tills konvergens av data uppnås. Att kombinera två existerande program på detta sätt kan vara det enda praktiska sättet att skapa en metodik som löser FSI problem, eftersom det oftast kräver omfattande mansarbete bakom att skapa en monolitlösare och/eller tillgång till öppen källkod är begränsad. Detta tillvägagångssätt brukar betecknas som partitioneringsmetodik och präglas av instabilitet och oftast begränsad till aerodynamiska applikationer. Denna studie presenterar en partitionerad
FSI lösare baserad på två avgränsade struktur och fluid källkod, deal.II respektive OpenFOAM. Lösaren stabiliseras genom relaxationstekniker och kopplingsschema. Som resultat av detta har en lösningsmetodik utvecklats som är stabil och effektiv för hydroelastiska applikationer som kan tillämpas på ingenjörsmässiga applikationer men även inom grundforskning kring strömnings fenomen skapat av FSI, tex resonans och vakmekanismer.

• author: Lorentzon, Johan
• supervisor: Per Erik Austrell; Johan Revstedt; Valera Veryazov; Per-Åke Malmqvist
• opponent: Univ.-Prof. Dr.–Ing. Breuer, Michael, Helmut Schmidt University, Hamburg
• organization: Computational Chemistry; Fluid Mechanics
• alternative title: En studie i hydroelastisk fluid-struktur interaktion med tillämpning på nedsänkta balkar
• publishing date: 2023-11-07
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Fluid Mechanics and Acoustics
• keywords: Partitioned Fluid-Structure, Blocked Gauss-Seidel, Jacobian-free Newton-Krylov methods, Incompressible fluid, Finite Strain, Total Lagrangian, Arbitrary Lagrange Euler method, Vector acceleration
• pages: 216 pages
• defense location: KC:B
• defense date: 2023-12-01 09:00:00
• ISBN: 978-91-8096-006-9
• ISBN: 978-91-8096-007-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 270216bf-c30b-43dc-9e41-067127abf3fa
• date added to LUP: 2023-11-06 01:40:59
• date last changed: 2023-11-07 11:50:01