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ORCID:  http://orcid.org/0009-0004-8178-2784
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Implementation of numerical-computational tools for fluid-structure interaction analysis in industrial cases
Alternate title (s): Implementação de ferramentas numérico-computacionais para análise de interação fluido-estrutura em casos industriais
Author: Oliveira, Gabriel Sabino de
First Advisor: Vedovotto, João Marcelo
First coorientator: Martins, Polliana Cândida Oliveira
First member of the Committee: Cavallini Junior, Aldemir Aparecido
Second member of the Committee: Fabro, Adriano Todorovic
Summary: 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.
Keywords: Fluid-Structure Interaction
Computational Modeling
Immersed Boundary Method
Finite Element Method
Numerical Simulation
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Subject: Engenharia mecânica
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: 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.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.130
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/45000
Date of defense: 25-Feb-2025
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
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