Recently, some fluid-structure interaction (FSI) problems involving the fluid impact loads interacting with structures, such as sloshing, slamming, green-water, etc., have been considered, especially in the ocean engineering field. The governing equations for both an elastic solid model and flow model were originally derived from similar continuum mechanics principles. In this study, an elastic model based on a particle method, the MPS method, was developed for simulating the FSI problems. The developed model was first applied to a simple cantilever deflection problem for verification. Then, the model was coupled with the fluid flow model, the PNU (Pusan National University modified)-MPS method, and applied to the numerical investigation of the coupling effects between a cantilever and a mass of water, which has variable density, free-falling to the end of the cantilever.
Anisotropic distribution of the turbulent kinetic energy and the near-field excitations are the main causes of the steady state Flow-Induced Vibration (FIV) which could lead to fretting wear damage in vertically arranged supported slender rods. In this article, a combined Computational Fluid Dynamics (CFD) and Computational Structural Mechanic (CSM) approach named two-way Fluid-Structure Interaction (FSI) is used to investigate the modal characteristics of a typical rod's vibration. Performance of an Unsteady Reynolds-Average Navier-Stokes (URANS) and Large Eddy Simulation (LES) turbulence models on asymmetric fluctuations of the flow field are investigated. Using the LES turbulence model, any large deformation damps into a weak oscillation which remains in the system. However, it is challenging to use LES in two-way FSI problems from fluid domain discretization point of view which is investigated in this article as the innovation. It is concluded that the near-wall meshes whiten the viscous sub-layer is of great importance to estimate the Root Mean Square (RMS) of FIV amplitude correctly as a significant fretting wear parameter otherwise it merely computes the frequency of FIV.
We apply a partitioned-solution (iterative-staggered) coupling method based on a fixed Eulerian mesh with the level set function to a large-deformation fluid-structure interaction (FSI) problem where a large-deformable thin structure moves in a high-speed flow field, as an airbag does during deployment. This method combines advanced fluid and structure solvers-specifically, the constrained interpolation profile finite element method (CIP-FEM) for fluid Eulerian mesh and large-deformable structural elements for Lagrangian structural mesh. We express the large-deformable interface as a zero isosurface by the level set function, and introduce virtual nodes with level sets and structural normal velocities to generate the level set function according to the large-deformable interfacial geometry and enforce the kinematic condition at the interface. The virtual nodes are located in the direction normal to the structural mesh. It is confirmed that application of the method to unfolded airbag deployment simulation shows the adequacy of the method.
A three-dimensional elastic blood vessel model with internal diameter variation is considered to investigate internal flow characteristics and effects of structural deformation. Also, computational analyses for both the rigid model and the fully-coupled FSI model have been conducted in order to compare the shear stress, pressure distribution, and flow velocity in detail. A 70% narrowing area of asymmetric blood vessel model was especially investigated to show the versatility of fluid-structure interaction phenomenon. The results reveal that effect of fluid-structure interaction is very important to accurately investigate the flow characteristics of the blood vessel.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제7권3호
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pp.101-109
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2014
Sediment erosion is one of the key challenges in hydraulic turbines from a design and maintenance perspective in Himalayas. The present study focuses on choosing the best design in terms of blade angle distribution of a Francis turbine runner which has least erosion effect without influencing the efficiency and the structural integrity. A fully coupled Fluid-Structure-Interaction (FSI) analysis was performed through a multi-field solver, which showed that the maximum stress induced in the optimized design for better sediment handling, is less than that induced in the reference design. Some numerical validation techniques have been shown for both CFD and FSI analysis.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제5권2호
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pp.263-276
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2013
Most yacht sails are made of thin fabric, and they have a cambered shape to generate lift force; however, their shape can be easily deformed by wind pressure. Deformation of the sail shape changes the flow characteristics over the sail, which in turn further deforms the sail shape. Therefore, fluid-structure interaction (FSI) analysis is applied for the precise evaluation or optimization of the sail design. In this study, fluid flow analyses are performed for the main sail of a 30-foot yacht, and the results are applied to loading conditions for structural analyses. By applying the supporting forces from the rig, such as the mast and boom-end outhaul, as boundary conditions for structural analysis, the deformed sail shape is identified. Both the flow analyses and the structural analyses are iteratively carried out for the deformed sail shape. A comparison of the flow characteristics and surface pressures over the deformed sail shape with those over the initial shape shows that a considerable difference exists between the two and that FSI analysis is suitable for application to sail design.
In this paper the unsteady fluid-structure interaction (FSI) problems with large structural displacement are solved by partitioned solution approaches in the arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element framework. The incompressible Navier-Stokes equations are solved by the characteristic-based split (CBS) scheme. Both a rigid body and a geometrically nonlinear solid are considered as the structural models. The latter is solved by Newton-Raphson procedure. The equation governing the structural motion is advanced by Newmark-${\beta}$ method in time. The dynamic mesh is updated by using moving submesh approach that cooperates with the ortho-semi-torsional spring analogy method. A mass source term (MST) is introduced into the CBS scheme to satisfy geometric conservation law. Three partitioned coupling strategies are developed to take FSI into account, involving the explicit, implicit and semi-implicit schemes. The semi-implicit scheme is a mixture of the explicit and implicit coupling schemes due to the fluid projection splitting. In this scheme MST is renewed for interfacial elements. Fixed-point algorithm with Aitken's ${\Delta}^2$ method is carried out to couple different solvers within the implicit and semi-implicit schemes. Flow-induced vibrations of a bridge deck and a flexible cantilever behind an obstacle are analyzed to test the performance of the proposed methods. The overall numerical results agree well with the existing data, demonstrating the validity and applicability of the present approaches.
풍력블레이드는 가벼워야 하며 강도면에서 신뢰성이 확보되어야한다. 최근 들어 복합소재를 적용한 블레이드가 많이 선보이고 있다. 현재 가장 많이 사용되는 유리섬유/에폭시는 경제성 및 강도면에서 우수하여 많이 사용되어왔다. 본 논문에서는 유리섬유(80%)-탄소섬유(20%)/에폭시를 사용하여 강도를 높이고 무게를 경감시켜 효율을 증가시키고자 연구하였다. 국내 풍황에 적합한 1kW급 풍력블레이드의 Airfoil을 개발하여 강도를 평가하고 블레이드를 최적화 설계하였다. 유리섬유(80%)-탄소섬유(20%)가 적용된 복합재를 적층방법에 따라 실험하고 이를 블레이드 강도평가에 적용하였으며 FSI (Fluid-Structure Interaction)를 사용하였다. 이를 통해 블레이드의 무게경감 및 강도가 향상되었다.
Preconditioners for a two-dimensional combined finite element formulation have been devised and tested for fluid-structure interaction (FSI) problems. The FSI code simulating the interaction of a elastic body with an unsteady flow is based on P2P1 finite element combined formulation. It has been shown that two preconditioners among them perform well with respect to computational memory and convergence for a bench-mark problem. Based on the verification of the preconditioners for the two-dimensional combined formulation, four preconditioners are proposed for the problem of an elastic body interacting with a flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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