Modelagens numéricas pelo método dos elementos finitos em problemas de interação fluido-estrutura

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Morais, Marcus Vinícius Girão de
Data de Publicação: 2000
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UnB
Texto Completo: https://repositorio.unb.br/handle/10482/37354
Resumo: Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil, 2000.
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spelling Modelagens numéricas pelo método dos elementos finitos em problemas de interação fluido-estruturaComputação - matemáticaAnálise numéricaMétodo dos elementos finitosDissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil, 2000.O estudo da interação fluido-estrutura, onde um domínio sólido encontra-se em contato com um domínio fluido, faz-se necessário em diversas áreas da engenharia, como aeronáutica, civil, mecânica, nuclear, naval e até mesmo a bioengenharia. Estes problemas podem ser abordados de diversas formas. Problemas de vibrações induzidas por um escoamento, problemas não-lineares do tipo choque ou explosões em sistemas limitados ou ilimitados e problemas de vibrações de estruturas flexíveis acopladas a um meio acústico linear, são exemplos típicos com aplicações diretas em reatores nucleares, barragens, aviões, plataformas marítimas, turbinas, entre outros. Por essa razão, o estudo da interação fluido-estrutura tem um lugar de destaque em diversos grupos de pesquisa internacionais. Neste trabalho estuda-se problemas acoplados fluido-estrutura bidimensionais a partir de uma formulação com descrição Lagrangeana para o sólido e Euleriana para o fluido pelo método dos elementos finitos (MEF). Objetiva-se construir um aparato conceituai e desenvolvimentos computacionais para possibilitar aplicações mais complexas no futuro. Logo, optou-se por uma formulação variacional mista do tipo acoplamento - de - massa (ū,p,, η) que considera sistemas acoplados com dissipação, valendo-se do formalismo de Morse e Feshbach. Os deslocamentos ū descrevem o comportamento do sólido, enquanto a pressão p, o potencial de deslocamento η e a elevação da superfície livre são as variáveis do fluido. Neste primeiro enfoque, são estudados problemas simples bidimensionais onde a estrutura possui comportamento elástico linear e o fluido é compressível, irrotacional e invíscido (problema acústico). A implementação computacional é validada por problemas dinâmicos típicos com soluções analíticas desacopladas e/ou acopladas e da literatura no domínio do tempo e da frequência. Devido a formulação apresentar matrizes muito esparsas e mal-condicionadas, foi necessário um estudo para minimizar a instabilidade numérica por meio do balanceamento das matrizes. Por fim, a formulação representa bem a classe de problemas propostos. E os resultados numéricos obtidos pelas implementações computacionais desenvolvidas apresentaram um bom acordo com relação às soluções analíticas e os resultados da literatura.The study of fluid-structure interaction in which the solid domain is in contact with the fluíd, is necessary for many problems encountered in aeronautical, civil, mechanical, nuclear, naval and bioengineering. Such problems may be of different types: problems of vibrations caused by fluid flow, non-linear problems due to impact or explosions in closed systems and problems of vibrations in flexible structures connected to a linear acoustic médium are typical examples with direct application in nuclear reactors, dams, aircraft, offshore platforms, turbines and others. For this reason, the study of fluid-structure interaction has become an important area of international research. In this work, there 2D problems of fluid-structure interaction are considered using a Lagrangian formulation for the solid and an Eulerian formulation for the fluid using the finite elements method. The objective is to build a computational tool which will enable more complex studies to be carried out in the future. For this reason a mixed variational formulation was adopted with dissipation (ū,p,, η) using the formalism of Morse and Feshbach. The displacements ū describe the behaviour of the solid, while the pressure p, the displacement potential and the surface elevation η describe the behaviour of the fluid. In this preliminary study, simple 2D problems are considered in which the structure is linear elastic and the fluid is compressible, irrotational and inviscid (acoustic problem). The computational formulation is tested for typical dynamic problems with uncoupled or coupled analytical Solutions and with results obtained from the literature for both the time and frequency domain. The formulation considered involves very sparse ill-conditioned matrices and as a consequence it was necessary to study the minimization of instabilities by balancing the matrices. Finally, it is concluded that the formulation represents properly the class of problems considered and the numerical results obtained are in good agreement with the analytical results and with the results obtained from the literature.Faculdade de Tecnologia (FT)Departamento de Engenharia Civil e Ambiental (FT ENC)Programa de Pós-Graduação em Estruturas e Construção CivilPedroso, Lineu JoséPartridge, Paul WillianMorais, Marcus Vinícius Girão de2020-04-06T22:54:10Z2020-04-06T22:54:10Z2020-04-062000-06-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfMORAIS, Marcus Vinicius Girão de. Modelagens numéricas pelo método dos elementos finitos em problemas de interação fluido-estrutura. Brasília , 2000. xx, 157 f., il. 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