The coupled fluid-structure interaction problem is analyzed using the theoretical method to investigate the coupled vibration characteristics of functionally graded material(FGM) cylindrical shells conveying an incompressible, inviscid fluid. Material properties are assumed to vary continuously through the thickness according to a power law distribution in terms of the volume fraction of the constituents. The steady flow of fluid is described by the classical potential flow theory. The motion of shell represented by the first order shear deformation theory(FSDT) to account for rotary inertia and transverse shear strains. The effect of internal fluid can be taken into consideration by imposing a relation between the fluid pressure and the radial displacement of the structure at the interface. Numerical examples are presented and compared with exiting results.
In the fluid-structure interaction analysis, the finite element formulation is performed for the wave equation for dynamic fluid pressure, and the dynamic pressure is defined as a degree of freedom at the fluid nodes. Therefore, to connect the fluid to the structure, it is necessary to connect the degree of freedom of fluid dynamic pressure and the degree of freedom of structure displacement through an interface element derived from the relationship between dynamic pressure and displacement. The previously proposed fluid-structure interface elements use conformal finite element meshes in which the fluid and structure match. However, it is challenging to construct conformal meshes when complex models, such as water purification plants and wastewater treatment facilities, are models. Therefore, to increase modeling convenience, a method is required to model the fluid and structure domains by independent finite element meshes and then connect them. In this study, two fluid-structure interface elements, one based on constraints and the other based on the integration of nonsmooth functions, are proposed in nonconformal finite element meshes for structures and fluids, and their accuracy is verified.
Belver, Ali Vasallo;Iban, Antolin Lorenzana;Rossi, Riccardo
Wind and Structures
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제15권3호
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pp.189-208
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2012
Lock-in and drag amplification phenomena are studied for a flexible cantilever using a simplified fluid-structure interaction approach. Instead of solving the 3D domain, a simplified setup is devised, in which 2D flow problems are solved on a number of planes parallel to the wind direction and transversal to the structure. On such planes, the incompressible Navier-Stokes equations are solved to estimate the fluid action at different positions of the line-like structure. The fluid flow on each plane is coupled with the structural deformation at the corresponding position, affecting the dynamic behaviour of the system. An Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) approach is used to take in account the deformation of the domain, and a fractional-step scheme is used to solve the fluid field. The stabilization of incompressibility and convection is achieved through orthogonal quasi-static subscales, an approach that is believed to provide a first step towards turbulence modelling. In order to model the structural problem, a special one-dimensional element for thin walled cross-section beam is implemented. The standard second-order Bossak method is used for the time integration of the structural problem.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제3권4호
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pp.342-351
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2010
During the operation of a hydro turbine the fluid mechanical pressure loading on the turbine blades provides the driving torque on the turbine shaft. This fluid loading results in a structural load on the component which in turn causes the turbine blade to deflect. Classically, these mechanical stresses and deflections are calculated by means of finite element analysis (FEA) which applies the pressure distribution on the blade surface calculated by computational fluid dynamics (CFD) as a major boundary condition. Such an approach can be seen as a one-way coupled simulation of the fluid structure interaction (FSI) problem. In this analysis the reverse influence of the deformation on the fluid is generally neglected. Especially in axial machines the blade deformation can result in a significant impact on the turbine performance. The present paper analyzes this influence by means of fully two-way coupled FSI simulations of a propeller turbine utilizing two different approaches. The configuration has been simulated by coupling the two commercial solvers ANSYS CFX for the fluid mechanical simulation with ANSYS Classic for the structure mechanical simulation. A detailed comparison of the results for various blade stiffness by means of changing Young's Modulus are presented. The influence of the blade deformation on the runner discharge and performance will be discussed and shows for the configuration investigated no significant influence under normal structural conditions. This study also highlights that a two-way coupled fluid structure interaction simulation of a real engineering configuration is still a challenging task for today's commercially available simulation tools.
Tank structures in ships are in contact with various fluid. The vibration characteristics of those structures are strongly affected by the added mass due to containing fluid. It is important to predict vibration characteristics of tank structures, but it is difficult to do. That's because the interaction problem concerned with the free surface, the variation of water depth and stiffener is to be considered between the fluid and the structure. Many authors have studied vibration of rectangular tank structures containing water. Kito studied added mass effect of water in contact with thin elastic flat plates. Kim et al. studied flexural vibration of stiffened plates in contact with water. However, few researches on dynamic interaction tank walls with water are reported in the vibration of rectangular tanks recently. in the present report, the coupling effect of added mass of fluid and structural constraint between panels on each vibration mode changing breadth of elastic plate, and dynamic pressure distribution have investigated numerically and discussed.
A preconditioning technique is presented for a simultaneous solution to wind-membrane interaction. In the simultaneous equations, a linear elastic model was employed to deal with the fluid-structure data transfer at the interface. A Lagrange multiplier was introduced to impose the specified boundary conditions at the interface and strongly coupled simultaneous equations are derived after space and time discretization. An initial linear elastic model preconditioner and modified one were derived by treating the linearized elastic model equation as a saddle point problem, respectively. Accordingly, initial and modified fluid-structure interaction (FSI) preconditioner for the simultaneous equations were derived based on the initial and modified linear elastic model preconditioners, respectively. Wind-membrane interaction analysis by the proposed preconditioners, for two and three dimensional membranous structures respectively, was performed. Comparison was made between the performance of initial and modified preconditioners by comparing parameters such as iteration numbers, relative residuals and convergence in FSI computation. The results show that the proposed preconditioning technique greatly improves calculation accuracy and efficiency. The priority of the modified FSI preconditioner is verified. The proposed preconditioning technique provides an efficient solution procedure and paves the way for practical application of simultaneous solution for wind-structure interaction computation.
The high-skewed and/or composite propellers of current interests to reduce the ship vibration and to increase the acoustic performance are likely to be exposed to the unexpected structural problems. One typical example is that the added mass effect on the propellers working in the non-uniform wake field reduces the natural frequency of the propeller leading to the resonance with the low-frequency excitation of the external forces. To avoid this resonance problem during the design stage, the technique of fluid-structure interaction has been developed, but the higher-order effect of the blade geometry deformation is not yet considered in evaluating the added mass effects. In this paper the fluid boundary-value problem is formulated by the potential-based panel method in the inviscid fluid region with the velocity inflow due to the body deformation, and the structural response of the solid body under the hydrodynamic loading is solved by applying the finite element method which implements the 20-node iso-parametric element model. The fluid-structure problem is solved iteratively. A basic fluid-sturcture interaction study is performed with the simple rectangular plates of thin thickness with various planform submerged in the water of infinite extent. The computations show good correlation with the experimental results of Linholm, et al. (1965).
The transient dynamic-response analysis of fuel-storage tanks of flying vehicles accelerating in the vertical direction is achieved with finite element method. A fuel-storage tank is a representative example of the fluid-structure interaction problem, in which structure and fluid media interact strongly. For the accurate analysis of this complicated fluid-structure system, we employed ALE(arbitrary Lagrangian-Eulerian) coupling method. Two types of fuel-storage tanks, one with two baffles and the other without baffle, are considered to examine the effect of baffles. The fuel-storage tank with baffles shows more uniform hydrodynamic pressure distribution, resulting effective stress in structural region and faster convergence from transient to steady states. MSC/Dytran, a commercial FEM software for the 3D coupled dynamic analysis, is used for this analysis.
The Lattice Boltzmann Method has developed for solving the Boltzmann equation in Cartesian domains containing immersed boundaries of arbitrary geometrical complexity moving with prescribed kinematics. When a immersed boundaries are sweeping the fixed fluid node, refilling the node information in a vicinity of fluid nodes is one of the important issues in Lattice Boltzmann Method. In this study, we propose a simple refill algorithm for the particle distribution function based on a proper velocity, density and strain rate to enhance accuracy and stability of the method. The refill scheme based on a asymptotic analysis of LBGK model has improved accuracy than interpolation schemes. The proposed scheme in this study is validated by the simulations of an impulsively started rotating circular cylinder to investigate adaptability for fluid-structure interaction (FSI) problem. This refill scheme has improved stability and accuracy especially at high Reynolds number region.
In order to investigate the vibration characteristics of fluid-structure interaction problem, we modeled two rectangular identical plates coupled with bounded fluid. The fixed boundary condition along the plate edges and an ideal fluid are assumed. MSC/NASTRAN was used to perform finite element analysis and analytic solutions were compared with experimental solutions to verify finite element model. As a result, comparison of FEM and experiment show good agreement, and the transverse vibration modes, in-phase and out of-phase, were observed alternately in the fluid-coupled system. The effect of distance between two rectangular plates on the fluid-coupled natural frequency is investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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