Implementation of an implicit coupling algorithm in code_Saturne for fluid-structure interaction

This treatise details the implementation and performance analysis of a new implicit coupling scheme for Fluid-Structure Interaction (FSI), motivated by the numerical stability limitations of the pre-existing explicit method for strongly-coupled systems. The foundation of this work was based on a reduced-order model derived from the Euler-Bernoulli beam theory, which has been integrated into the code_Saturne (CS) source code. This integration enabled the creation of a novel, fully implicit algorithm featuring a subiteration loop to enforce equilibrium at the fluid-structure interface at each time step. A comprehensive numerical performance analysis confirmed the superiority of this implicit approach compared to the explicit counterpart, which was shown to be only conditionally stable, failing due to high-frequency residual accumulation in numerically challenging cases. The implicit scheme decisively resolves this instability A preliminary validation in quiescent fluid confirmed the solver's ability to produce physically accurate results for key FSI-induced parameters. In summary, the new implicit scheme implementation proved to be an essential advancement, providing the stable foundation required to proceed with advanced FSI simulations for nuclear relevant configurations

Questo trattato descrive in dettaglio l'implementazione e l'analisi delle prestazioni di un nuovo schema di accoppiamento implicito per l'interazione fluido-struttura, motivato dai limiti di stabilità numerica del metodo esplicito pre-esistente per i sistemi fortemente accoppiati. Il fondamento di questo lavoro è basato su un modello a ordine ridotto derivato dalla teoria delle travi di Eulero-Bernoulli, che è stato integrato nel codice sorgente di code_Saturne (CS). Questa integrazione ha permesso la creazione di un nuovo algoritmo completamente implicito caratterizzato da un ciclo di subiterazione per imporre l'equilibrio all'interfaccia fluido-struttura ad ogni passo temporale. Un'analisi numerica completa delle prestazioni ha confermato la superiorità di questo approccio implicito rispetto alla controparte esplicita, che si è dimostrata solo condizionatamente stabile, fallendo a causa dell'accumulo residuo ad alta frequenza in casi numericamente difficili. Lo schema implicito risolve in modo decisivo questa instabilità. Una validazione preliminare in fluido statico ha confermato la capacità del risolutore di produrre risultati fisicamente accurati per i parametri chiave indotti dall'interazione fluido struttura. In sintesi, l'implementazione del nuovo schema implicito si è rivelata un progresso essenziale, fornendo le basi necessarie per procedere con simulazioni FSI avanzate in configurazioni rilevanti per il settore nucleare.