Fluid-structure coupling for the application on hydrofoiling vessels

This work illustrates the development of a Fluid-Structure Interaction (FSI) routine for expanding the capabilities of the host company Caponnetto-Hueber S.L. in the simulation of hydroelastic phenomena in maritime applications. FSI is a surface coupled problem which involves the solution of a different set of equation from the solid structure domain to the fluid region. In the present study a partitioned FSI method is considered as the CFD and CSD problems are solved indipendentely whereas the interface constraints are fulfilled in an iterative manner. A strong coupling is achieved by computing the exchanged fields within the inner iterations of a SIMPLE like segregated solver multiple times over the temporal discretization. The solution of the fluid subdomain is obtained via a Finite Volume (FV) representation, while the structural domain via a Finite Element (FE) one. As a consequence, the interface between subdomains in not matching and a Nearest Neighbour method is employed for transferring the fields across the interface. Radial Basis Function (RBF) favour a smooth and high order field approximation on the interface and provide well posed Boundary Conditions for the morpher, retaining also a high mesh orthogonality close to the boundary layer refinement even in the case of large structural displacements. In the context of this study, this methodology is extended via a Newmark based rigid motion solver that solves for 2 DOF ordinary differential equations the displacement of the rigid boundary of the fluid domain. To superimpose the mapped FEM displacement field a hyperplane is fitted to the overall node displacement matrix. Finally, a time domain iterative approach consisting in mode extraction via Prony series fitting, is implemented and tested for an accurate prediction of the onset of dynamic hydroelastic instability.

Questo lavoro illustra lo sviluppo di una routine di Interazione Fluido-Struttura (FSI) per ampliare le capacità della società ospitante Caponnetto-Hueber S.L. nella simulazione di fenomeni idroelastici in applicazioni marittime. FSI è un problema di accoppiamento superficiale che coinvolge la soluzione di un diverso set di equazioni dal dominio della struttura solida alla regione fluida. Nello studio presente, è considerato un metodo FSI partitizionato poiché i problemi CFD e CSD vengono risolti indipendentemente, mentre i vincoli di interfaccia vengono soddisfatti in modo iterativo. Un accoppiamento stretto è ottenuto calcolando i campi scambiati all'interno delle iterazioni di un solutore segregato di tipo SIMPLE più volte in ciascuna discretizzazione temporale. La soluzione del sottodominio fluido è ottenuta tramite una rappresentazione a Volumi Finiti (FV), mentre il dominio strutturale tramite una a Elementi Finiti (FE). Di conseguenza, l'interfaccia tra i sottodomini non è corrispondente e un metodo del Nearest-Neighbour viene impiegato per trasferire i campi attraverso l'interfaccia. Le Funzioni a Base Radiale (RBF) favoriscono un' approssimazione regolare e di ordine elevato del campo sull'interfaccia e forniscono condizioni al contorno ben poste per il morpher, mantenendo anche un'elevata ortogonalità della mesh vicino al raffinamento dello strato limite, anche in caso di grandi spostamenti strutturali. Nel contesto di questo studio, questa metodologia è estesa tramite un solutore di moto rigido basato su integrazione di Newmark che risolve, per 2 gradi di libertà, le equazioni differenziali ordinarie dello spostamento del bordo rigido del dominio fluido. Per sovrapporre il campo di spostamento FEM mappato, un iperpiano è adattato alla matrice complessiva di spostamento dei nodi. Infine, è implementato e testato un approccio iterativo nel dominio del tempo consistente nell'estrazione delle modalità tramite fitting di una serie di Prony, per una previsione accurata dell'insorgenza di instabilità idroelastica dinamica.