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Interacción Fluido-Estructura

La ingeniería es una ciencia viva que cambia continuamente. Las cuentas que se hicieron antiguamente utilizando reglas de cálculo, ahora son hechas por calculadoras modernas, planillas electrónicas y aplicaciones de celular. Proyectos que antes eran complicados son reemplazados por diseños optimizados con el fin de ahorrar materia prima y reducir costos.

En esta misma línea, la simulación también ha sufrido grandes cambios y se dirige cada vez más para el área multifísica. En este sentido, el término Interacción Fluido-Estructura (en inglés, Fluid Structure Interaction – FSI) está presente en la terminología diaria de los profesionales de simulación.

¿Qué es la Interacción Fluido-Estructura?
La Interacción Fluido-Estructura (FSI) es el acoplamiento de diversas físicas y las combinaciones más utilizadas son los análisis de fluidodinámica y mecánica estructural. Este acoplamiento tiene en consideración el campo de presión o térmica de un análisis de Fluidodinámica Computacional (CFD) y las consecuencias directas de esta carga en el análisis estructural.

Existe un sin número de componentes que pueden ser estudiados bajo el punto de vista de FSI. Válvulas industriales, tuberías que transportan fluidos a alta temperatura, rotores de máquinas rotativas, aerogeneradores, válvulas sanguíneas, gabinetes carenados externos, antenas parabólicas, entre otros. Básicamente, la mayoría de los productos involucran varias físicas y ahora este estudio es más factible de realizar y es ampliamente utilizado.

En el área automotriz, por ejemplo, los análisis a través de la simulación computacional incluye diferentes físicas.

En el área automotriz, por ejemplo, los análisis a través de la simulación computacional incluye diferentes físicas.

Estudios FSI pueden dividirse en dos grupos:
1. FSI 1 way – FSI – interacción fluido-estructura de una vía;
2. FSI 2 way – FSI – interacción fluido-estructura de dos vías.

FSI 1 way – interacción fluido-estructura de una vía
Este tipo de estudio es el más común y exige menos recurso computacional. En ese tipo de análisis, la evaluación CFD es resuelta en un software, después los resultados son exportados e importados a un software de análisis estructural. Eso solo puede ser hecho si la carga de datos de CFD no causa gran distorsión en el análisis FEA (Método de los Elementos Finitos). El efecto contrario es posible mediante el envío de datos de un análisis FEA para un análisis de CFD. Esta línea de trabajo, sin embargo, no es empleada.

FSI de una ruta – 1way

FSI de una ruta – 1way

FS1 2 way – Acoplamiento de dos rutas
En este caso un análisis CFD resuelve y luego exporta los resultados para un análisis estructural. Esta carga puede causar la deformación de la estructura y el dislocamiento altera significativamente el campo del fluido, lo que modifica el flujo como un todo en el dispositivo. Luego el análisis estructural retoma el análisis CFD para que nuevamente el análisis CFD sea realizado.

El nuevo estudio vuelve a trasmitir los datos al análisis FEA y el ciclo se reinicia. Este proceso puede ocurrir “n” veces hasta que se logre la convergencia deseada, lo que requiere mayor recurso computacional debido a los diversos acoplamientos y generación de malla.

FSI de dos vías

FSI de dos vías

Acoplamiento FSI 2 vías con ANSYS
Para hacer el acoplamiento de diferentes físicas en las herramientas ANSYS, el procedimiento es sencillo:

En ANSYS CFX solo tienes que arrastrar un análisis estructural y vincularlo con el análisis CFD. Automáticamente los dos solvers comprenderán el acoplamiento y permite el cambio de informaciones en setup.

Acoplamiento FSI 2 vías con ANSYS CFX

Acoplamiento FSI con ANSYS CFX

En el caso de ANSYS Fluent, hay una singularidad. Para hacer un análisis de 1 vía, el procedimiento es lo mismo que ANSYS CFX. Y para un análisis de 2 vías, es necesario conectar el análisis CFD y FEA en un System Coupling.

Acoplamiento FSI 2 vías con ANSYS Fluent

Acoplamiento FSI con ANSYS Fluent

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Ingeniero mecánico egresado de la Faculdad de Engenharia Industrial (FEI) y estudiante de maestría en interacción fluido-estructura aplicado a compresores axiales aeronáuticos en el Instituto de Tecnológico de Aeronáutica (ITA), en Brasil. Tiene experiencia en fluidodinámica y simulación multifísica. También es responsable técnico del software ANSYS AIM.


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