Towards a high-fidelity open-source simulation framework for coupled fluid-structure interaction

Fluid-structure interaction (FSI) represents one main concern for the aerospace industry, as it may apply to different scenarios, from wind turbines to rotorcrafts. FSI simulations are used as a way to predict the deformation of flexible structures subjected to forces exerted by the surrounding fluid. One possible way is to employ two separate solvers, each adept at solving a single physical phenomenon in the multi-physics problem. The aim of this thesis is to create a open-source comprehensive code which couples SU2, the fluid solver, with MBDyn, the multi-body structural solver, using preCICE, the coupling library. One of the key aspect is the flexibility. The adapter is designed to be modular, general and "easy to use", making it possible to use it for different simulations, without directly changing the code. Two cases are used as verification of the adapter code. A vertical flap which extends in a channel and deforms under the fluid force and a fixed square bluff body, with a flexible flap attached to it immersed in a laminar flow. Both of them compare well with the reference data, thus confirming the correctness of the present approach. The comprehensive code has the ultimate goal of being used for rotorcraft FSI simulations, as in this context not many codes are freely available. Therefore, the HART-II rotor multi-body model is presented and a complete structural analysis is introduced, which will allow for the coupled simulation, as a future development.

Nel campo dell’ingegneria aerospaziale, l’interazione fluido-struttura (FSI) suscita grande interesse, in quanto è rilevante in molti ambiti, dal design delle turbine eoliche a quello degli elicotteri. Le simulazioni FSI sono usate per prevedere la deformazione di strutture flessibili sottoposte alla forza del fluido che le circonda. Esistono diverse soluzioni per creare un accoppiamento fluido-struttura. Una di queste è l’impiego di due solver separati, ognuno dei quali è specializzato nella risoluzione del singolo problema. Vengono poi accoppiati, in modo da potersi scambiare informazioni, creando in tal modo il coupling. L’obiettivo della presente tesi è di creare un codice open-source che accoppi SU2, il solver CFD, con MBDyn, solver multi-body strutturale, facendo uso di preCICE, una libreria specifica per l’accoppiamento di software nell’ambito delle simulazioni multi-physics. Uno degli aspetti chiave è la flessibilità. L’adapter è progettato per essere modulare, generale e facile da usare, rendendo possibile l’utilizzo per diverse simulazioni, senza modificare direttamente il codice. Due casi vengono utilizzati come verifica dell’effettivo funzionamento dell’adapter. Un flap verticale che si estende in un canale e si deforma sotto la forza del fluido e un corpo tozzo cui è attaccato un flap flessibile, immerso in un flusso laminare. Entrambi trovano un buon riscontro con i dati di riferimento, confermando così la correttezza del presente approccio. L’accoppiamento proposto ha l’obiettivo finale di essere utilizzato per simulazioni FSI di elicotteri, ambito in cui si distinguono molti simili accoppiamenti, ma quasi nessuno completamente open-source. Viene, dunque, presentato il modello multi-body del rotore HART-II di cui viene fatta un’analisi strutturale completa, che consentirà di effettuare la simulazione accoppiata come sviluppo futuro.