Interação Fluido-Estrutura: o que é?


A engenharia é uma ciência viva que se modifica continuamente. Contas que eram feitas antigamente por réguas de cálculo, hoje são feitas por calculadoras modernas, planilhas eletrônicas e aplicativos de celular. Projetos que outrora eram robustos são substituídos por projetos otimizados para economizar material, reduzir peso.

Nesta mesma linha, a simulação propriamente dita também sofreu grandes mudanças e caminha cada vez mais para o ramo multifísico. Neste sentido, o termo FSI (do inglês, Fluid Structure Interaction) se torna cada vez mais presente no dia a dia do profissional de simulação.

O que é a interação fluido-estrutura?
A interação fluido-estrutura (FSI) é o acoplamento entre leis de diferentes físicas, em especial as da fluidodinâmica e mecânica estrutural. Este acoplamento leva em consideração o campo de pressão ou térmico de uma análise CFD (Fluidodinâmica Computacional) e as consequências diretas deste carregamento na análise estrutural.

Existem inúmeros componentes que podem ser estudados sob a ótica FSI. Válvulas industriais, tubulações que transportam fluido a alta temperatura, rotores de máquinas rotativas, turbinas eólicas, válvulas sanguíneas, carenagens externas de gabinetes, antenas parabólicas etc. Basicamente, a maioria dos produtos envolve múltiplas físicas e hoje este tipo de estudo está ainda mais viável e é amplamente utilizado.

Na área automotiva, por exemplo, as análises por meio da simulação computacional englobam muitas físicas

Na área automotiva, por exemplo, as análises por meio da simulação computacional englobam muitas físicas

Estudos FSI podem ser divididos em dois grupos:
1. FSI 1 way – interação fluido-estrutura de uma via;
2. FSI 2 way – interação fluido-estrutura de duas vias.

FSI 1 way
Este tipo de estudo é o mais comum por exigir menos recurso computacional. Essencialmente, uma análise CFD é resolvida em um software, depois os resultados são exportados e importados para dentro de um programa de análise estrutural. Este caso pode ser utilizado desde que o carregamento CFD não cause deslocamentos demasiadamente grandes na análise FEA (Método dos Elementos Finitos). O efeito contrário é possível, com o envio de dados de uma análise FEA para uma análise CFD. Esta linha de trabalho contudo não é tão empregada.

Interação Fluido-Estrutura de uma via

Interação Fluido-Estrutura de uma via


FSI 2 way
Neste caso uma análise CFD é resolvida e exporta os resultados para uma análise estrutural. Este carregamento resultará na deformação da estrutura, e este deslocamento altera de forma significativa o domínio fluido, alterando o escoamento como um todo no dispositivo. Então a análise estrutural retorna para a análise CFD esta nova posição para que novamente seja extraído o domínio fluido e uma nova análise CFD seja realizada.

A nova análise volta a transmitir os resultados para a análise FEA e o ciclo se reinicia. Este processo pode vir a ocorrer “n” vezes até que a convergência seja alcançada, exigindo assim maior recurso computacional por conta dos diversos acoplamentos, bem como da geração de malha.

Interação Fluido-Estrutura de duas vias

Interação Fluido-Estrutura de duas vias


Acoplamento FSI 2 way com ANSYS

Para fazer o acoplamento das físicas nas soluções ANSYS o procedimento é simples.

No caso do ANSYS CFX, basta arrastar uma análise estrutural e ligá-la à análise CFD. Automaticamente os dois solvers irão entender o acoplamento e permitir a troca de informações no setup.

Acoplamento FSI 2 way com ANSYS

Acoplamento FSI com ANSYS CFX

No caso do ANSYS FLUENT, existe uma particularidade. Para uma análise 1 way, o procedimento é o mesmo do ANSYS CFX. Já para uma análise 2 way, é necessário ligar tanto a análise CFD quanto a FEA em um System Coupling.

Acoplamento FSI 2 way com ANSYS Fluent

Acoplamento FSI com ANSYS Fluent

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Interação Fluido-Estrutura


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