This work evaluates the solution of a 2D FSI problem by comparing the use of one-way coupling and two-way coupling. In particular, the trajectory of a detached circular-shaped ice fragment is studied, aiming to assess up to which ice dimension, with respect to a unit-chord airfoil c, the path can be studied by employing the one-way coupling, which is computationally less expensive, without compromising the precision of the two-way approach. To do so, a body-fitted FSI code is developed and validated to compute large rigid body displacements using remeshing. A set of three radii has been tested: 0.005 c, 0.010 c, and 0.020 c. Since the critical point in one-way coupling is its inability to notice the interaction between the ice and the airfoil, the trajectory is studied in the vicinity of the latter body. The interaction is strictly related to the mutual distance between the two solid surfaces, therefore, since the streamlined surface is fixed, the analysis is conducted with respect to the horizontal position of the moving fragment. To evaluate the difference between the two trajectories, the percentage discrepancy in vertical positions at equal horizontal displacements, normalized by the airfoil chord length, is evaluated. A threshold of 2% is set to verify if the two solutions are sufficiently similar. It is found that the motion of the smaller radius piece of ice (0.005 c) is well predicted by using the one-way coupling, while, for the 0.010 c and 0.020 c, the discrepancy values exceed the given threshold. Employing two-way coupling with the larger ice dimension, it is observed that the motion of the ice block near the airfoil surface generates a recirculation bubble, implying strong fluctuations on the airfoil load, which are not visible by using the one-way approach. The substantial computational saving of the one-way coupling, up to three orders of magnitude in seconds, makes its employment reasonable for contexts where extreme accuracy is not critical, up to the 0.010 c radius case, where the presence of the moving body does not affect heavily the airfoil loads.

Questo lavoro valuta la capacità risolutiva di un problema di interazione fluido-struttura bidimensionale, comparando l’utilizzo di un accoppiamento unidirezionale con quello bidirezionale. In particolare, viene studiata la traiettoria di un frammento di ghiaccio circolare, con l’obiettivo di stimare fino a quale sua dimensione, rispetto alla corda unitaria c del profilo alare da cui si è distaccato, sia possibile adottare l’accoppiamento unidirezionale, essendo questo computazionalmente più economico, senza sacrificare la precisione dell’approccio bidirezionale. A tal fine, è stato sviluppato e validato un codice per la risoluzione dell’interazione fluido-struttura con griglia conforme al corpo, in grado di simulare ampi spostamenti rigidi mediante una strategia di rigenerazione della griglia di calcolo. È presa in considerazione una selezione di tre raggi: 0.005 c, 0.010 c e 0.020 c. Poiché l’accoppiamento monodirezionale non è in grado di apprezzare le mutue interazioni tra il ghiaccio e il profilo alare, l’analisi del moto si concentra nelle vicinanze di quest’ultimo, dove l’interazione dipende fortemente dalla distanza tra le superfici. Nello specifico, essendo il profilo fissato, la valutazione viene condotta rispetto alla posizione orizzontale del ghiaccio. Per quantificare le differenze tra le traiettorie, si considera la discrepanza percentuale sulla posizione verticale a parità di posizione orizzontale e per la stessa dimensione del ghiaccio, calcolata come differenza in ascissa normalizzata rispetto alla lunghezza della corda alare; al fine di discriminare la similarità tra i due casi, viene adottato un limite di accettabilità del 2 %. Dai risultati emerge come, nel caso con raggio più piccolo, ovvero 0.005 c, l’approccio monodirezionale predice bene il moto del corpo, mentre, per gli altri due raggi, 0.010 c e 0.020 c, i valori di discrepanza superano superano la soglia di discriminanza. Utilizzando un accoppiamento bidirezionale nel caso con ghiaccio di dimensione maggiore, si osserva che, durante il moto, la vicinanza alla superficie del corpo aerodinamico genera una bolla di ricircolo, causando forti fluttuazioni dei carichi sul profilo alare, non rilevabili con l’accoppiamento monodirezionale. Il significativo risparmio computazionale di quest’ultimo accoppiamento, pari a circa tre ordini di grandezza in termini di tempo di calcolo (espresso in secondi), rende ragionevole il suo utilizzo per un’analisi in cui un’estrema precisione non è prioritaria, fino ad un raggio di 0.010 c, per cui la presenza del corpo in movimento non incide in modo rilevante sui carichi del profilo alare.

A comparison of one-way and two-way FSI coupling for studying ice shedding trajectories

Poidomani, Paolo
2024/2025

Abstract

This work evaluates the solution of a 2D FSI problem by comparing the use of one-way coupling and two-way coupling. In particular, the trajectory of a detached circular-shaped ice fragment is studied, aiming to assess up to which ice dimension, with respect to a unit-chord airfoil c, the path can be studied by employing the one-way coupling, which is computationally less expensive, without compromising the precision of the two-way approach. To do so, a body-fitted FSI code is developed and validated to compute large rigid body displacements using remeshing. A set of three radii has been tested: 0.005 c, 0.010 c, and 0.020 c. Since the critical point in one-way coupling is its inability to notice the interaction between the ice and the airfoil, the trajectory is studied in the vicinity of the latter body. The interaction is strictly related to the mutual distance between the two solid surfaces, therefore, since the streamlined surface is fixed, the analysis is conducted with respect to the horizontal position of the moving fragment. To evaluate the difference between the two trajectories, the percentage discrepancy in vertical positions at equal horizontal displacements, normalized by the airfoil chord length, is evaluated. A threshold of 2% is set to verify if the two solutions are sufficiently similar. It is found that the motion of the smaller radius piece of ice (0.005 c) is well predicted by using the one-way coupling, while, for the 0.010 c and 0.020 c, the discrepancy values exceed the given threshold. Employing two-way coupling with the larger ice dimension, it is observed that the motion of the ice block near the airfoil surface generates a recirculation bubble, implying strong fluctuations on the airfoil load, which are not visible by using the one-way approach. The substantial computational saving of the one-way coupling, up to three orders of magnitude in seconds, makes its employment reasonable for contexts where extreme accuracy is not critical, up to the 0.010 c radius case, where the presence of the moving body does not affect heavily the airfoil loads.
CACCIA, FRANCESCO ANGELO
RAUSA, ANDREA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
22-lug-2025
2024/2025
Questo lavoro valuta la capacità risolutiva di un problema di interazione fluido-struttura bidimensionale, comparando l’utilizzo di un accoppiamento unidirezionale con quello bidirezionale. In particolare, viene studiata la traiettoria di un frammento di ghiaccio circolare, con l’obiettivo di stimare fino a quale sua dimensione, rispetto alla corda unitaria c del profilo alare da cui si è distaccato, sia possibile adottare l’accoppiamento unidirezionale, essendo questo computazionalmente più economico, senza sacrificare la precisione dell’approccio bidirezionale. A tal fine, è stato sviluppato e validato un codice per la risoluzione dell’interazione fluido-struttura con griglia conforme al corpo, in grado di simulare ampi spostamenti rigidi mediante una strategia di rigenerazione della griglia di calcolo. È presa in considerazione una selezione di tre raggi: 0.005 c, 0.010 c e 0.020 c. Poiché l’accoppiamento monodirezionale non è in grado di apprezzare le mutue interazioni tra il ghiaccio e il profilo alare, l’analisi del moto si concentra nelle vicinanze di quest’ultimo, dove l’interazione dipende fortemente dalla distanza tra le superfici. Nello specifico, essendo il profilo fissato, la valutazione viene condotta rispetto alla posizione orizzontale del ghiaccio. Per quantificare le differenze tra le traiettorie, si considera la discrepanza percentuale sulla posizione verticale a parità di posizione orizzontale e per la stessa dimensione del ghiaccio, calcolata come differenza in ascissa normalizzata rispetto alla lunghezza della corda alare; al fine di discriminare la similarità tra i due casi, viene adottato un limite di accettabilità del 2 %. Dai risultati emerge come, nel caso con raggio più piccolo, ovvero 0.005 c, l’approccio monodirezionale predice bene il moto del corpo, mentre, per gli altri due raggi, 0.010 c e 0.020 c, i valori di discrepanza superano superano la soglia di discriminanza. Utilizzando un accoppiamento bidirezionale nel caso con ghiaccio di dimensione maggiore, si osserva che, durante il moto, la vicinanza alla superficie del corpo aerodinamico genera una bolla di ricircolo, causando forti fluttuazioni dei carichi sul profilo alare, non rilevabili con l’accoppiamento monodirezionale. Il significativo risparmio computazionale di quest’ultimo accoppiamento, pari a circa tre ordini di grandezza in termini di tempo di calcolo (espresso in secondi), rende ragionevole il suo utilizzo per un’analisi in cui un’estrema precisione non è prioritaria, fino ad un raggio di 0.010 c, per cui la presenza del corpo in movimento non incide in modo rilevante sui carichi del profilo alare.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/240893