Interazione fluido-struttura mediante co-simulazione : il sistema sfera-asta

The recent developments in numerical tools and computing resources seem to provide a suitable environment to perform numerical analyses of Fluid-Structure Interaction problems. The Co-Simulation technique, in particular, develops the idea of coupling a CFD software with a structural one in order to simulate complex FSI phenomena with a partitioned approach, stressing the concept of software modularity. In this way, it is possible to adopt software tools at the cutting edge of technology. This thesis deals with the application of the Co-Simulation technique to a benchmark case experimentally investigated in previous works: the interaction of a beam supported sphere (that is, a sphere fixed to the end of a slender cantilever beam) with water. This problem is challenging although apparently simple and it seems quite absent from literature so far. The work has been approached in a gradual fashion. First, step-by-step dynamic implicit analyses were performed on the structural model, considering free decay oscillations of the system in air. Calibration of parameters was achieved through comparison with experimental data provided by previous investigations. Problems regarding the modeling of damping were highlighted. Then, URANS analyses were carried out within a CFD code, considering free decay oscillations of a tethered sphere in still water. Finally the Co-Simulation was set up. The case of free decay oscillations of the beam supported sphere in still water was developed, in order to check the accuracy of the simulations and to analyze the stability matters related to different coupling algorithms. The results achieved so far pave the way to the analysis of the vortex-induced vibrations of the system immersed in a fluid flow. Furthermore, the insight gained in the numerical simulations of FSI may foster the application of robust Co-Simulation analyses to different real-life problems.

I recenti sviluppi nell'ambito dell'analisi numerica e la crescente disponibilità di elevate potenze di calcolo sembrano fornire un ambiente adatto per affrontare lo studio dei problemi di Interazione Fluido-Struttura con metodi computazionali. La tecnica della Co-Simulazione, in particolare, sviluppa l'idea di accoppiare un programma di CFD con uno di analisi strutturale, allo scopo di simulare complessi fenomeni di FSI con un approccio di tipo partizionato, secondo il concetto di modularità del software; in questo modo, infatti, è possibile utilizzare programmi specifici e all'avanguardia nei rispettivi ambiti di impiego. Questa tesi tratta dell'applicazione della Co-Simulazione ad un caso test, investigato sperimentalmente in precedenti lavori: il comportamento di un sistema sfera-asta, ossia un sistema oscillante costituito da una sfera fissata all'estremo libero di un'asta flessibile incastrata in sommità, immerso in acqua. Questo problema è volutamente semplice, ma presenta diversi aspetti di notevole interesse, oltre a risultare praticamente assente dagli studi di letteratura. Il lavoro è stato affrontato in maniera graduale. Inizialmente, sono state svolte analisi dinamiche passo-passo implicite sul modello strutturale, considerando il caso di oscillazioni libere in aria del sistema. La calibrazione dei parametri è stata effettuata grazie al confronto con i dati sperimentali forniti dagli studi precedenti. Sono state inoltre messe in luce le problematiche legate alla modellazione dello smorzamento. Poi, sono state sviluppate le analisi URANS del modello fluidodinamico, in riferimento ai casi di sfera ferma in acqua corrente e oscillazioni libere in acqua ferma del sistema sfera-filo (sfera appesa ad un filo inestensibile). Infine, sono state affrontate le Co-Simulazioni. È stato considerato il caso di oscillazioni libere in acqua ferma del sistema sfera-asta, nell'ottica di verificare l'accuratezza delle analisi e approfondire i problemi di stabilità numerica legati ai differenti algoritmi di accoppiamento. Le analisi svolte e i risultati ottenuti aprono la strada all'analisi numerica delle vibrazioni indotte dal distacco di vortici del sistema sfera-asta in acqua corrente. Inoltre, le conoscenze acquisite a riguardo della Co-Simulazione di fenomeni di Interazione Fluido-Struttura sono molto importanti, nell'ottica di applicare tale tecnica all'analisi numerica di problemi di rilevanza pratica nel campo dell'Ingegneria Strutturale.