In this study, fluid/structure coupled analyses have been conducted f3r 3-D stator and rotor configuration. Advanced computational analysis system based on computational fluid dynamics (CFD) and computational structural dynamics (CSD) has been developed in order to investigate fluid/structure responses of general stator-rotor configurations. To solve the fluid/structure coupled problems, fluid domains are modeled using the structural grid system with dynamic moving and local deforming techniques. Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with Spalart-Allmaras (S-A) and SST ${\kappa}-{\omega}$ turbulence models are solved for unsteady flow problems. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method is used for computing the coupled aeroelastic governing equations of the 3-D turbine blades for fluid-structure interaction (FSI) problems. Detailed fluid/structure analysis responses for stator-rotor interaction flow conditions are presented to show the physical performance and flow characteristics.
This paper presents a method of seismic analysis for a cylindrical liquid storage structure on/in horizontally layered half.space considering the effects of the interior fluid and exterior soil medium in the frequency domain. To capture the essence of fluid-structure-soil interaction effects effectively, a mixed finite element with two-field (u, p) approximation is employed to model the compressive inviscid fluid, while the structure and soil medium are presented by the 3-D axisymmetric finite elements and dynamic infinite elements. The present FE-based method can be applied to the system with complex geometry of fluid region as well as with inhomogeneous near-field soil medium, since it can directly model both the fluid and the soil. For the purpose of verification, dominant peak frequencies in transfer functions for horizontal motions of cylindrical fluid storage tanks with rigid massless foundation on a homogeneous viscoelastic half.space are compared with those by two different added mass approaches for the fluid motion. The comparison indicates that the Present FE-based methodology gives accurate solution for the fluid-structure-soil interaction problem. Finally, as a demonstration of versatility of the present study, a seismic analysis for a real-scale LNG storage tank embedded in layered half.space is carried out, and its member forces along the height of the structure are compared with those by an added mass approach developed by the present writers.
Interaction of blood flow and leaflet behavior in a bileaflet mechanical heart valve was investigated using computational analysis. Blood flows of a Newtonian fluid and a non-Newtonian fluid with Carreau model were modeled as pulsatile, laminar, and incompressible. A finite volume computational fluid dynamics code and a finite element structure dynamics code were used concurrently to solve the flow and structure equations, respectively, where the two equations were strongly coupled. Physiologic ventricular and aortic pressure waveforms were used as flow boundary conditions. Flow fields, leaflet behaviors, and shear stresses with time were obtained for Newtonian and non-Newtonian fluid cases. At the fully opened phase three jets through the leaflets were found and large vortices were present in the sinus area. At the very final stage of the closing phase, the angular velocity of the leaflet was enormously large. Large shear stress was found on leaflet tips and in the orifice region between two leaflets at the final stage of closing phase. This method using fluid-structure interaction turned out to be a useful tool to analyze the different designs of existing and future bileaflet valves.
In blood flow passing through the mechanical heart valve (MHV) and elastic blood vessel, hemolysis and platelet activation causing thrombus formation can be seen owing to the shear stress in the blood. Also, fracture and deformation of leaflets can be observed depending on the shape and material properties of the leaflets which is opened and closed in a cycle. Hence, comprehensive study is needed on the hemodynamics which is associated with the motion of leaflet and elastic blood vessel in terms of fluid-structure interaction. In this paper, a numerical analysis has been performed for a three-dimensional pulsatile blood flow associated with the elastic blood vessel and curved bileaflet for multiple cycles in light of fluid-structure interaction. From this analysis fluttering phenomenon and rebound of the leaflet have been observed and recirculation and regurgitation have been found in the flow fields of the blood. Also, the pressure distribution and the radial displacement of the elastic blood vessel have been obtained. The motion of the leaflet and flow fields of the blood have shown similar tendency compared with the previous experiments carried out in other studies. The present study can contribute to the design methodology for the curved bileaflet mechanical heart valve. Furthermore, the proposed fluid-structure interaction method will be effectively used in various fields where the interaction between fluid flow and structure are involved.
The main objective of this work is to investigate the sloshing behavior in a baffled and unbaffled three dimensional annular-sectored water pool (i.e., tank) which is located at dome region of the primary containment. Initially two case studies were performed for validation. In these case studies, the theoretical and experimental results were compared with numerical results and good agreement was found. After the validation of present numerical procedure, an annular-sectored water pool has been taken for numerical investigation. One sector is taken for analysis from the eight sectored water pool. The free surface is captured by Volume of Fluid (VOF) technique and the fluid portion is solved by finite volume method while the structure portions are solved by finite element approach. Baffled and un-baffled cases were compared to show the reduction in wave height under excitation. The complex mechanical interaction between the fluid and pool wall deformation is simulated using a partitioned strong fluid-structure coupling.
The fluid induced vibration (FIV) phenomena of an equivalent airfoil system of MAV have been investigated in low Reynolds number flow region. Unsteady flows with viscosity are computed using two-dimensional incompressible Navier-Stokes equations. The present fluid/structure interaction analysis is based on one of the most accurate computational approach with computational fluid dynamics (CFD) and computational structural dynamics (CSD) techniques. The highly nonlinear fluid/structure interaction phenomena due to severe flow separations have been analyzed for the low Reynolds region that has a dominancy of flow viscosity. The effects of Reynolds number and initial angle of attack on the fluid/structure coupled vibration instability are shown and the qualitative trend of FIV phenomenon is investigated.
The fluid-structure interaction of a towed body is simulated using a developed code, which is based on the flux-difference splitting scheme on the hybrid Cartesian/immersed boundary method. To improve the stability in the coupling between the fluid and structure domains, a scheme is used, in which the effects of structure deformation are treated implicitly. The developed code is validated for the fluid-structure interaction problem through comparisons with other results on the vortex-induced vibration of elastically mounted cylinders. To simulate behavior of a towed body, an asymmetric tension modelling for a towing cable is suggested. In the suggested model, the tension is proportional to the elongation of the cable, but the cable has no effect on the body motion whenever the distance between the endpoints of the cable is smaller than the original length of the cable. The fluid-structure interactions of a towed body are simulated on the basis of different parameters of the towing cables. It is observed that the suggested tension model predicts the snapping for a shorter towing cable, which is in accordance with the reported results.
To calculate the fluid-structure interaction(FSI) problem rationally, it should be the basic technology to analyse each domain of fluid and structure accurately. In this paper, a new FSI analysis algorithm was introduced using the 3D solid finite element for structural analysis and CFD code based on the HCIB method for viscous flow analysis. The fluid and structural domain were analysed successively and alternatively in time domain. The structural domain was analysed by the Newmark-b direct time integration scheme using the pressure field calculated by the CFD code. The results for example calculation were compared with other research and it was shown that those coincided each other. So we can conclude that the developed algorithm can be applied to the general FSI problems.
This paper presents a fully three-dimensional numerical approach for analyzing deepwater drilling riser-conductor system vortex-induced vibrations (VIV) including nonlinear soil-structure interactions (SSI). The drilling riser-conductor system is modeled as a tensioned beam with linearly distributed tension and is solved by a fully implicit discretization scheme. The fluid field around the riser-conductor system is obtained by Finite-Analytic Navier-Stokes (FANS) code, which numerically solves the unsteady Navier-Stokes equations. The SSI is considered by modeling the lateral soil resistance force according to nonlinear p-y curves. Overset grid method is adopted to mesh the fluid domain. A partitioned fluid-structure interaction (FSI) method is achieved by communication between the fluid solver and riser motion solver. A riser-conductor system VIV simulation without SSI is firstly presented and served as a benchmark case for the subsequent simulations. Two SSI models based on a nonlinear p-y curve are then applied to the VIV simulations. Also, the effects of two key soil properties on the VIV simulations of riser-conductor systems are studied.
The dynamic behavior of the rectangular liquid storage structure is known to be greatly influenced by fluid-structure interaction. By mounting the liquid storage structure on the properly designed base isolators, dynamic response of the superstructure can be reduced. However, base isolators inevitably incur large displacement of the structure to the ground ·ind may give adverse effects on the sloshing height. This paper presents the analysis method for fluid-structure-isolator interaction in base-isolated rectangular liquid storage structures. In the method, the irrotational motion of invicid and incompressible ideal fluid is expressed by analytic solutions and the superstructure and isolators are properly modeled by finite element and bilinear model. Free surface sloshing motion, hydrodynamic pressure acting on the wall and structural response are obtained by the presented method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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