This paper presents a new approach to simulate fluid-solid interaction problems involving non-matching interfaces. The coupling between fluid and solid domains with dissimilar finite element meshes consisting of 4-node quadrilateral elements is achieved by using the interface element method (IEM). Conditions of compatibility between fluid and solid meshes are satisfied exactly by introducing the interface elements defined on interfacing regions. Importantly, a consistent transfer of loads through matching interface element meshes guarantees the present method to be an efficient approach of the solution strategy to fluid-solid interaction problems. An arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) description is adopted for the fluid domain, while for the solid domain an updated Lagrangian formulation is considered to accommodate finite deformations of an elastic structure. The stabilized equal order velocity-pressure elements for incompressible flows are used in the motion of fluids. Fully coupled equations are solved simultaneously in a single computational domain. Numerical results are presented for fluid-solid interaction problems involving nonmatching interfaces to demonstrate the effectiveness of the methodology.
We introduce a Heaviside-function formulation of the interaction between incompressible two-phase fluid and a non-deformable solid. Fluid and solid interact in two ways : fluid satises the Dirichlet boundary condition imposed by the velocity field of solid, and solid is accelerated by the surface traction exerted by fluid. The two-way couplings are formulated by the Heaviside function to the interface between solid and fluid. The cumbersome treatment of interface is taken care of by the Heaviside function, and the interaction is discretized in a simple manner. The discretization results in a stable and accurate projection method.
In this study, flow analysis and fluid-solid interaction analysis were conducted on a hollow fiber membrane module used for analysis of dehumidification characteristics. To ensure the reliability of the flow analysis results, the dehumidification experiment was performed under the temperature of 30℃ and relative humidity of 30% RH. The results of the dehumidification experiments were compared with the flow analysis results. The results of dehumidification experiments and flow analysis had a difference of approximately 5%. A 1-Way fluid-solid interaction analysis with various materials was conducted. From the results, it was found that the baffle with the largest shape deformation (polyethylene material) was subjected to 2-way fluid-solid interaction. The analysis of fluid flow and dehumidification characteristics were analyzed according to the shape deformation of the baffle.
We performed a numerical investigation to find out the optimal choice of the spatial discretization in the distributed-Lagrangian-multiplier/fictitious-domain (DLM/FD) method for the solid/fluid interaction problem. The elastic solid bar attached on the bottom in a pressure-driven channel flow of a Newtonian fluid was selected as a model problem. Our formulation is based on the scheme of Yu (2005) for the interaction between flexible bodies and fluid. A fixed regular rectangular discretization was applied for the description of solid and fluid domain by using the fictitious domain concept. The hydrodynamic interaction between solid and fluid was treated implicitly by the distributed Lagrangian multiplier method. Considering a simplified problem of the Stokes flow and the linearized elasticity, two numerical factors were investigated to clarify their effects and to find the optimum condition: the distribution of Lagrangian multipliers and the solid/fluid interfacial condition. The robustness of this method was verified through the mesh convergence and a pseudo-time step test. We found that the fluid stress in a fictitious solid domain can be neglected and that the Lagrangian multipliers are better to be applied on the entire solid domain. These results will be used to extend our study to systems of elastic particle in the Stokes flow, and of particles in the viscoelastic fluid.
The traditional computational fluid or structure dynamics analysis approaches have contributed to solve many delicate engineering problems. But for the most of recent engineering problems which are influenced by fluid-structure interaction effect strongly, traditional individual approaches have limited analysis abilities for the exact simulation. Owing to above-mentioned reason, nowadays fluid-structure interaction analysis has become a matter of concern and interest. FSI analysis require several unprecedented techniques for the combining individual analysis tool into integrated analysis tool. The Arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE, in short) method is the new description of continum motion,which combines the advantages of the classical kinematical descriptions, i.e. Lagrangian and Eulerian description, while minimizing their respective drawbacks. In this paper, the ALE description is adapted to simulate fluid-structure interaction problems. An automatic re-mesh algorithm and a fluid-structure coupling process are included to analyze the interaction and moving motion during the 2-D axisymmetric solid rocket interior FSI phenomena simulation.
The reciprocating compressors are widely used in industrial fields for its simplicity in principle and high efficiency. But the design of it requires rigorous experiments due to its high dependence on many design parameters. In this work, a mathematical model is developed so that we can analyze the gas-solid interaction during the whole working processes of a reciprocating compressor. The governing equations, which represent the fluid-solid interaction, was derived from the unsteady Bernoulli's equation with the assumption of quasi-steady working process. The valve itself was assumed to be a one degree of freedom spring-mass-damper system. A simple thermodynamic relation, the ideal gas state equation, was used to give it an external force term assuming that the refrigerant behaves like an ideal gas. It was suggested to use a motor of higher driving frequency to enhance the performance of the reciprocating compressor without causing a faster failure of the valve.
Fluid-Structure Interaction (FSI) modeling is highly effective to reveal deformations, fatigue failures, and stresses on a solid domain caused by the fluid flow. Mechanical properties of the solid structures and the thermophysical properties of fluids can change under different operating conditions. In this study, we investigated the interaction of [45/-45]2 wounded composite tubes with the fluid flows suddenly pressurized to 5 Bar, 10 Bar, and 15 Bar at the ambient temperatures of 24℃, 66℃, and 82℃, respectively. Numerical analyzes were performed under each temperature and pressure condition and the results were compared depending on the time in a period and along the length of the tube. The main purpose of this study is to present the effects of the variations in fluid characteristics by temperature and pressure on the structural response. The variation of the thermophysical properties of the fluid directly affects the deformation and stress in the material due to the Wall Shear Stress (WSS) generated by the fluid flow. The increase or decrease in WSS directly affected the deformations. Results show that the increase in deformation is more than 50% between 5 Bar and 10 Bar for the same operating condition and it is more than 100% between 5 Bar and 15 Bar by the increase in pressure, as expected in terms of the solid mechanics. In the case of the increase in the temperature of fluid and ambient, the WSS and Von Mises stress decrease while the slight increases of deformations take place on the tube. On the other hand, two-way FSI modeling is needed to observe the effects of hydraulic shock and developing flow on the structural response of composite tubes.
본 연구에서는 고체추진제를 사용하는 closed bomb test(CBT)의 연소에 대한 정밀 모델링 및 해석을 수행하였다. 기상과 고상을 동시에 해석하기 위해 fluid structure interaction(FSI) 기법을 사용하였으며 기체상과 그레인의 연소해석은 Eulerian 방법을, 그레인의 이동은 Lagrangian 방법을 적용하였다. 고체상의 그레인과 연소가스의 상호 작용은 소스텀을 통해 완전 결합(fully coupled) 되도록 하였다. 그레인의 연소거리와 연소면의 이동을 모사하기 위하여 volume of fluid(VOF) 방법을 사용하였고, 그레인에 작용하는 힘은 그레인 연소면에 작용하는 압력과 중력을 고려하고, VOF의 속도항에 그레인 연소속도와 그레인 이동속도를 고려하였다. 개발한 수치모델을 바탕으로 1개와 3개 그레인에 대한 연소해석을 수행하여 실험결과와 비교 검증하였다. 연소시에 나타나는 압력 섭동에 대한 음향장을 분석하였다.
With more and more high-rise building being constructed in recent decades, bluff body flow with high Reynolds number and large scale dimensions has become an important topic in theoretical researches and engineering applications. In view of mechanics, the key problems in such flow are high Reynolds number turbulence and fluid-solid interaction. Aiming at such problems, a parallel fluid-structure interaction method based on socket parallel architecture was established and combined with the methods and models of large eddy simulation developed by authors recently. The new method is validated by the full two-way FSI simulations of 1:375 CAARC building model with Re = 70000 and a full scale Taipei101 high-rise building with Re = 1e8, The results obtained show that the proposed method and models is potential to perform high-Reynolds number LES and high-efficiency two-way coupling between detailed fluid dynamics computing and solid structure dynamics computing so that the detailed wind induced responses for high-rise buildings can be resolved practically.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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