Fluid-structure interaction solver for a flexible flapping wing

Biological flyers possess innate abilities to modify the curvature of their wings based on external factors, including wind gusts, evading obstacles, and pursuing targets, following the prevailing flow conditions. Reproducing the capabilities of a flexible wing is of interest for the development of several technologies, for example, to identify leaks in dense networks of pipes or even to artificially pollinate crops. Flapping wings could also be used to harvest energy and thus power a sensor network for specific applications. Understanding the aeroelastic behaviour of the wing is vital for the development of reliable technologies. This work describes the development of an open-source, high-fidelity Fluid-Structure Interaction (FSI) solver that can simulate flapping and deforming wings. The FSI solver combines OpenFOAM, a Computational Fluid Dynamics (CFD) software, whit Kratos Multiphysics, a Computational Structural Mechanics (CSM) software, using CoCoNuT coupling code. The CSM part of the FSI solver deals with the non-linear structural equations of the wings, which are modelled using the finite element method and shell elements. The CFD part of the solver calculates the aerodynamic forces that are generated by the deformed wings in laminar flow conditions. The simulation employs the finite volume method and the deformable overset technique with innovative interpolation boundary conditions to prevent grid degradation when the wings experience large motion and deformation. Finally, a quasi-Newton algorithm couples the flow and structure solver to ensure the accuracy and stability of the simulation results. The fulfilled FSI framework is then tested on a 2D wing. To see the validity of what has been implemented it is shown a comparison with experimental results. Also, a taste of the range of different flow conditions and geometries that can be tested is shown through a small aerodynamic analysis.

I volatili hanno la capacità di modificare la curvatura delle loro ali in base a fattori esterni, tra cui raffiche di vento, eludere ostacoli e inseguire bersagli a seconda delle condizioni ambientali che devono affrontare. Riprodurre le capacità di un'ala flessibile è di interesse per lo sviluppo di diverse tecnologie, ad esempio, per identificare perdite in una rete densa di tubazioni o persino per impollinare artificialmente le colture. Il battito delle ali potrebbe anche essere utilizzato per raccogliere energia e quindi alimentare una rete di sensori per applicazioni specifiche. Comprendere il comportamento aeroelastico dell'ala è di vitale importanza per lo sviluppo di tecnologie affidabili. Nella tesi proposta viene descritto lo sviluppo di un risolutore Interazione Fluido-Struttura (FSI) ad alta affidabilità, open source, in grado di simulare il battito di ali che si deformano. Il risolutore FSI combina OpenFOAM, software di dinamica dei fluidi computazionale (CFD), con Kratos Multiphysics, software di meccanica strutturale computazionale (CSM), utilizzando il codice di accoppiamento CoCoNuT. La parte CSM del risolutore FSI si occupa delle equazioni strutturali non lineari delle ali, che vengono modellate utilizzando il metodo degli elementi finiti e gli elementi a guscio. La parte CFD del risolutore calcola le forze aerodinamiche generate dalla deformazione delle ali in condizioni di flusso laminare. Nella simulazione viene utilizzato il metodo dei volumi finiti e la tecnica deformable overset con innovative condizioni al contorno di interpolazione per prevenire la degradazione della griglia quando le ali sono sottoposte a grandi movimenti e deformazioni. Infine, un algoritmo quasi-Newton accoppia il risolutore del flusso e della struttura per garantire l'accuratezza e la stabilità dei risultati della simulazione. Il framework FSI realizzato viene quindi testato su un'ala 2D. Per vedere la validità di quanto implementato viene mostrato un confronto con i risultati sperimentali. Inoltre, un assaggio della gamma delle diverse condizioni di flusso e geometrie che possono essere testate viene mostrato attraverso una piccola analisi aerodinamica.