Publicação: Implementation of numerical-computational tools for fluid-structure interaction analysis in industrial cases
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
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Coorientador
Martins, Polliana Cândida Oliveira
Resumo
A Interação Fluido-Estrutura (FSI) é um fenômeno multifísico que descreve a interação
entre um fluido em movimento e uma estrutura deformável ou móvel. Este trabalho desenvolve ferramentas numérico-computacionais para simulações de FSI, utilizando o software
MFSim em conjunto com modelos externos de elementos finitos. O objetivo principal foi
criar uma metodologia para acoplar modelos estruturais a simulações fluidodinâmicas,
com foco em aplicações industriais, como a caldeira recuperadora.
A abordagem adotada envolve o desenvolvimento de um algoritmo de acoplamento
de malhas e funções interpoladoras, permitindo a associação de malhas estruturais e
Lagrangianas para uso no método da fronteira imersa, em um ambiente de execução
paralelo. Além disso, foi criada uma interface de comunicação entre o MFSim e softwares
de elementos finitos, como Code_Aster e Salome-Meca, promovendo o acoplamento dos
modelos estruturais com as simulações fluidodinâmicas.
O algoritmo de associação de malhas e as funções interpoladoras foram aplicados
em uma análise estrutural estática, na qual a fronteira imersa acompanhava o campo de
deslocamento da estrutura. Também foi realizado um teste de robustez, no qual a estrutura
sofreu deformações de grande escala, superiores a um metro. Em ambos os casos, tanto o
algoritmo de associação de malha quanto as funções interpoladoras se mostraram robustos.
As ferramentas numéricas e computacionais foram validadas por meio da comparação de
resultados numéricos com dados experimentais disponíveis na literatura. O acoplamento
de dados entre o MFSim e o Salome-Meca foi validado por meio da análise modal de um
tubo sujeito a pressão interna e preenchido com óleo.
As ferramentas computacionais desenvolvidas também foram aplicadas na análise modal
e na interação fluido-estrutura de uma placa retangular exposta a altas temperaturas. Em
todos os casos, os resultados demonstraram boa concordância com a literatura, evidenciando
a aplicabilidade do desenvolvimento realizado.
Os resultados deste trabalho indicam que as ferramentas numéricas e computacionais
desenvolvidas permitem ao MFSim utilizar bibliotecas externas de elementos finitos,
viabilizando o acoplamento de modelos estruturais com ferramentas de dinâmica dos
fluidos computacional para análises de interação fluido-estrutura.
Abstract
Fluid-Structure Interaction (FSI) is a multiphysics phenomenon that describes the
interaction between a moving fluid and a deformable or movable structure. This work
develops numerical-computational tools for FSI simulations, using the MFSim software
in conjunction with external finite element models. The main goal was to create a
methodology to couple structural models with fluid dynamics simulations, focusing on
industrial applications such as the recovery boiler.
The adopted approach involves the development of a mesh coupling algorithm and
interpolating functions, allowing the association of structural and Lagrangian meshes for use
in the immersed boundary method within a parallel execution environment. Additionally,
a communication interface was created between MFSim and finite element software, such
as Code_Aster and Salome-Meca, promoting the coupling of structural models with fluid
dynamics simulations.
The mesh association algorithm and interpolating functions were applied in a static
structural analysis, where the immersed boundary followed the displacement field of the
structure. A robustness test was also performed, where the structure underwent large-scale
deformations, exceeding one meter. In both cases, the mesh association algorithm and
interpolating functions were found to be robust. The numerical and computational tools
were validated by comparing numerical results with experimental data available in the
literature. The data coupling between MFSim and Salome-Meca was validated through
the modal analysis of a pipe subjected to internal pressure and filled with oil.
The developed computational tools were also applied in the modal analysis and fluidstructure interaction of a rectangular plate exposed to high temperatures. In all cases, the
results showed good agreement with the literature, demonstrating the applicability of the
developed approach.
The results of this work indicate that the developed numerical and computational tools
allow MFSim to utilize external finite element libraries, enabling the coupling of structural
models with computational fluid dynamics tools for fluid-structure interaction analyses.
Palavras-chave
Fluid-Structure Interaction, Computational Modeling, Immersed Boundary Method, Finite Element Method, Numerical Simulation
Citação
OLIVEIRA, Gabriel Sabino de. Implementation of numerical-computational tools for fluidstructure interaction analysis in industrial cases. 2025. 134 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.130.