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.

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.

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.

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.

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.

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