Análise de problemas de interação fluído-estrutura usando o método dos elementos finitos com um acoplamento monolítico

Abstract

O presente trabalho tem como objetivo principal formular, implementar e aplicar um algoritmo numérico para simular problemas de interação fluido-estrutura. Considera-se que o fluido é levemente compressível e viscoso. Considera-se também um processo isotérmico. Para analisar o escoamento transiente, emprega-se o esquema explícito de Taylor-Galerkin e o método dos elementos finitos. Considera-se que a estrutura é constituída de um material elástico linear e que pode estar sujeito a deslocamentos finitos. Para a análise dinâmica emprega-se o método explícito de Taylor-Galerkin e o método dos elementos finitos. As equações constitutivas são expressas em termos do tensor de taxas de tensões de Truesdell. Tanto para estrutura como para o fluido são usados elementos hexaédricos de oito nós e o acoplamento do fluido e a estrutura é implementado em forma monolítica, de maneira a evitar uma defasagem na análise do sólido ou do fluido no tempo e representar melhor os efeitos da interação. O programa foi vetorizado com o objetivo de aproveitar as vantagens dos processadores vetoriais do CRAY T-94 do Centro Nacional de Supercomputação (CESUP) localizado na Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Alguns exemplos de aplicação para validar separadamente os códigos na análise de escoamentos e de estruturas são mostrados; problemas de interação fluido-estrutura também são apresentados.

Formulation, implementation and application of a numerical algorithm to simulate fluid-structure interaction problems are the main goals here. A slightly compressible and a viscous fluid is considered, and an isothermic process is assumed. The transient flow is analyzed using an explicit Taylor-Galerkin scheme and the finite element method. A linear elastic material and the possibility of finite displacements are considered for the structure. The nonlinear dynamic analysis is accomplished using an explicit Taylor- Galerkin scheme and the finite element method. Constitutive equations are expressed in terms of the Truesdell rate stress tensor. Hexahedrical eight-node elements are used for both fluid and structure and a monolithical coupling is used in order to calculate both domains at the same time level and to improve the representation of the interaction effects. xiv The code was completely vectorized in order to use efficiently the CRAY T-94 Supercomputer of the National Supercomputing Center (CESUP) of the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS). Numerical examples to prove the accuracy of the codes to analyze separately flows and structures are shown; some fluid-structure interactions problems are also presented.