Che cos'è l'interazione fluido-struttura?

L'interazione fluido-struttura (Fluid-Structure Interaction, FSI) descrive qualsiasi fenomeno in cui un fluido in movimento interagisce con una struttura solida mobile o deformabile. Le forze generate dal flusso del fluido, sotto forma di pressione o di sforzi di taglio, possono indurre l'oggetto solido a modificare la propria forma o a subire un moto rigido. A loro volta, i cambiamenti nella forma o nel movimento di un oggetto solido possono alterare il campo di flusso del fluido. La FSI è un tipo di interazione multifisica che coinvolge la dinamica dei fluidi e la meccanica dei solidi.

Gli ingegneri utilizzano strumenti di simulazione e test sperimentali per studiare l'interazione fluido-solido e comprendere le interazioni reali dei loro prodotti quando i fluidi scorrono attorno o attraverso di essi. Tali interazioni possono influenzare le prestazioni dei prodotti in fase di progettazione o manutenzione, così come la loro robustezza, soprattutto quando le deformazioni diventano eccessive o si verificano con elevata frequenza. Il rumore del vento prodotto da un'auto in transito, il movimento oscillatorio delle ali di un aereo commerciale durante il volo o il modo in cui il cuore pompa il sangue sono tutti esempi di FSI nel mondo reale. Nei casi più gravi, la FSI può causare cedimenti strutturali, lesioni o morte. Il crollo del ponte di Tacoma Narrows nel 1940 a causa del flutter aeroelastico e il collasso delle torri di raffreddamento della centrale elettrica di Ferrybridge nel 1965 dovuto alla turbolenza del vento sono due esempi ben noti. Una forma più comune di FSI che può portare a guasti è il colpo d'ariete, un forte rumore causato da improvvisi aumenti di pressione dell'acqua nelle tubazioni.

Gli ingegneri associano strumenti di software di fluidodinamica computazionale (CFD) e di analisi agli elementi finiti (FEA) per creare modelli FSI in grado di prevedere il comportamento di entrambi i domini quando i carichi vengono trasferiti attraverso l'interfaccia fluido-solido o quando si verificano cambiamenti nella forma o nella posizione di tale interfaccia. L'uso dell'analisi FSI è in aumento grazie ai miglioramenti negli algoritmi di accoppiamento e all'incremento delle prestazioni di calcolo. 

Il tipo di FSI che un sistema sperimenta dipende dalla tipologia di deformazione strutturale subita dall'oggetto solido e dall'intensità con cui ciascuna fisica influisce sull'altra all'interno del sistema. 

Accoppiamento monodirezionale e bidirezionale nella FSI

Gli studi FSI prevedono il trasferimento di forze da un fluido a un solido, nonché le variazioni delle caratteristiche fisiche dei due domini risultanti dalla loro interazione. Gli ingegneri suddividono l'accoppiamento nelle seguenti due categorie.

• Accoppiamento FSI monodirezionale

La forma più comune di accoppiamento FSI monodirezionale, detta anche accoppiamento debole, si verifica quando un sistema trasferisce le forze dal flusso del fluido al solido, ma la risposta del solido ha un impatto trascurabile sul comportamento del flusso. Ciò avviene generalmente perché l'entità della deformazione del solido è piccola rispetto al volume di fluido che la provoca. Un'ala di un'auto da corsa è un buon esempio di accoppiamento FSI monodirezionale. Il flusso d'aria sopra l'ala genera deportanza, ma l'ala è sufficientemente rigida affinché tali forze non ne modifichino la forma.

L'FSI monodirezionale può verificarsi anche quando il movimento di un oggetto trasferisce o sottrae quantità di moto a un fluido, modificandone la velocità e la pressione senza creare cambiamenti apprezzabili nella forma dell'oggetto o nel suo movimento attraverso il fluido circostante. Un buon esempio è un ventilatore elettrico. Il movimento delle pale aumenta la velocità dell'aria che attraversa il ventilatore senza alterarne in modo significativo la forma.

Una simulazione FSI monodirezionale applica le forze di pressione e di taglio ottenute da una simulazione CFD risolta all'interfaccia fluido-solido di un modello strutturale FEA, quindi calcola tensioni e deformazioni nel dominio strutturale; in alternativa, la velocità del solido all'interfaccia fluido-solido viene utilizzata come condizione al contorno per il modello CFD. In entrambi i casi, la forza o la velocità si trasferiscono da un solo dominio all'altro.

• Accoppiamento FSI bidirezionale

La forma più comune di accoppiamento FSI bidirezionale, spesso definita accoppiamento forte, si verifica quando le forze del dominio fluido agenti sull'oggetto solido provocano deformazioni sufficienti a modificare la pressione o la velocità del fluido. Questi cambiamenti alterano a loro volta le forze del fluido, che modificano la deflessione e il movimento del solido e, di conseguenza, il flusso.

Una simulazione FSI bidirezionale utilizza algoritmi per trasferire la deflessione dell'oggetto solido al modello CFD. Talvolta, quando tali variazioni sono sufficientemente significative, la mesh del dominio fluido si deforma e non risulta più valida. Il software utilizza quindi un processo automatizzato chiamato remeshing per rigenerare la mesh. Nei casi più estremi, la topologia del dominio fluido cambia, ad esempio quando passaggi si aprono o si chiudono.

Le simulazioni bidirezionali possono adottare due diverse metodologie per le iterazioni tra le soluzioni dei solutori CFD e FEA durante l'avanzamento temporale del modello. Nell'approccio esplicito o sequenziale, carichi e deflessioni vengono trasferiti una sola volta per ciascun passo temporale. Nell'approccio implicito o simultaneo, le simulazioni fluida e strutturale vengono risolte contemporaneamente, scambiando carichi e deflessioni e risolvendo nuovamente allo stesso passo temporale fino alla convergenza della soluzione. Il sistema passa quindi al passo temporale successivo.

Il metodo esplicito è più semplice da impostare e richiede minori risorse computazionali, poiché prevede una sola risoluzione per iterazione. Tuttavia, è meno stabile rispetto al metodo implicito e i modelli possono divergere. La maggior parte degli ingegneri sceglie il flusso di lavoro implicito quando modella sistemi fortemente accoppiati e desidera una maggiore accuratezza rispetto a quella offerta dal metodo esplicito.

Tipi di deformazione strutturale

Un altro modo in cui gli ingegneri classificano i problemi di interazione fluido-struttura consiste nell'identificare il tipo di deformazione a cui è soggetto il dominio strutturale. Gli utenti degli strumenti di simulazione utilizzano queste informazioni per stabilire gli approcci di modellazione più appropriati e gli algoritmi da impiegare per lo scambio dei dati tra i solutori CFD e FEA.

Le tipologie di deformazione più comuni sono:

• Piccola deformazione

I modelli con piccoli spostamenti del dominio strutturale utilizzano simulazioni unidirezionali. Questo approccio risolve prima il modello CFD e successivamente applica le forze al modello strutturale. In questa situazione non è necessario modificare la forma dell'interfaccia fluido-struttura.

• Piccola vibrazione

In alcuni casi, le oscillazioni del flusso del fluido esercitano piccole forze cicliche su una superficie flessibile della parte strutturale del sistema, e il solido risponde vibrando. Questa vibrazione genera quindi onde sonore che si propagano nel fluido senza modificare le caratteristiche complessive del flusso. Gli ingegneri aerodinamici definiscono questo tipo di interazione fluido-struttura come interazione acustico-strutturale (Acoustic-Structure Interaction, ASI).

In idrodinamica, un'onda di pressione può andare in risonanza in una tubazione o in un condotto, causando vibrazioni nei componenti solidi. Questa oscillazione è nota come colpo d'ariete. Sia l'ASI sia il colpo d'ariete generano rumore e possono talvolta provocare affaticamento dei componenti strutturali.

• Grande deformazione

Quando la deflessione o il movimento del dominio solido è sufficientemente ampio da modificare il flusso del fluido, è necessario ricorrere a una FSI bidirezionale. Inoltre, gli ingegneri potrebbero dover configurare la simulazione in modo da utilizzare metodologie in grado di deformare le mesh CFD e FEA o persino di rigenerare la mesh della geometria in entrambi i domini. La velocità della deformazione o del movimento determina inoltre la dimensione del passo temporale per ciascuna iterazione del solutore.

• Deformazione oscillatoria di grande ampiezza

Quando le variazioni delle forze del fluido eccitano una frequenza naturale della struttura, il sistema può andare incontro a oscillazioni di grande ampiezza. Tali oscillazioni possono amplificarsi ulteriormente man mano che il flusso del fluido immette ulteriore energia nel sistema. Gli ingegneri aerodinamici definiscono questo tipo di accoppiamento aeroelasticità. 

Il collasso del ponte di Tacoma Narrows è un esempio di come carichi aerodinamici possano eccitare vibrazioni in una struttura fino a causarne il cedimento.

• Moto del corpo rigido

Un'interazione fluido-struttura bidirezionale complessa può verificarsi anche in componenti strutturali che non si deformano, ma che possiedono quantità di moto. Questo moto di corpo rigido richiede comunque un accoppiamento bidirezionale e la rigenerazione della mesh del dominio fluido. 

• Deformazione indotta da carichi di corpo

I carichi di corpo dovuti alla gravità o ai campi elettromagnetici, insieme alle deformazioni termiche, possono deformare il dominio solido e influenzare un sistema FSI. Anche attuatori e alberi di trasmissione applicano carichi al dominio strutturale. Nei sistemi biologici, il rilassamento e la contrazione dei muscoli mettono in movimento i fluidi all'interno del corpo. Gli ingegneri devono assicurarsi di comprendere e considerare adeguatamente tutti i carichi di corpo nei modelli FSI.

Altre fisiche nell'interazione fluido-struttura

Quando una simulazione include altri carichi nel dominio fluido o strutturale, il sistema FSI diventa una simulazione multifisica più complessa. Un esempio comune è rappresentato dai dispositivi MEMS (Fluidic Micro-Electro-Mechanical Systems) fluidici. Essi funzionano accoppiando fisiche elettriche, elettrostatiche, magnetiche, termiche, fluidodinamiche e strutturali in un unico dispositivo.

La fisica aggiuntiva più comunemente integrata dagli ingegneri negli studi FSI è lo scambio termico coniugato. Questo tipo di simulazione utilizza temperature e velocità calcolate tramite CFD per stabilire il flusso di calore tra i domini solido e fluido. 

L'interazione fluido-struttura si verifica in molti sistemi in diversi settori industriali, ma alcuni spiccano perché il flusso del fluido è parte integrante del funzionamento dei loro prodotti. Di seguito sono elencati i settori in cui la FSI svolge un ruolo importante per aumentare la robustezza e ottimizzare le prestazioni.

Aerospazio

Se hai mai guardato fuori dal finestrino di un aereo passeggeri e osservato il movimento di un'ala, hai assistito a un accoppiamento bidirezionale FSI con grande deformazione. L'industria aerospaziale produce molti dispositivi che si muovono nell'atmosfera, rendendo la FSI un aspetto essenziale della progettazione e della manutenzione. L'interazione tra i domini fluido e solido diventa ancora più critica quando i veicoli aerospaziali viaggiano a velocità superiori a quella del suono e si formano onde d'urto, generando forze significative.

Alcuni esempi comuni di interazione fluido-struttura in ambito aerospaziale di interesse per gli ingegneri sono:

• Aeroelasticità delle ali
• Moto del corpo rigido di oggetti come serbatoi di carburante di riserva o armi in caduta dall'aeromobile
• Traiettorie balistiche di oggetti nell'aria
• Carichi sulle superfici di controllo
• Gonfiaggio di paracadute e parafoil
• Sloshing (movimento del carburante) nei serbatoi
• Carichi acustici e aerodinamici sugli ugelli dei razzi

Automotive

Le automobili viaggiano anch'esse attraverso l'atmosfera e muovono liquidi e gas nei sistemi di trasmissione e climatizzazione. Se hai mai guidato un'auto con il tetto apribile, avrai sperimentato la FSI quando hai sentito un rumore di "buffeting" a certe velocità. La maggior parte delle interazioni FSI nell'automotive è monodirezionale, perché le strutture automobilistiche sono generalmente rigide.

Biomedico

Il corpo umano è un complesso sistema fluido-struttura in cui molti componenti strutturali sono flessibili. Sia le camere cardiache sia le valvole del cuore sono ottimi esempi di interazione fluido-solido nei sistemi naturali. I muscoli del cuore si contraggono ed espandono per modificare il volume delle camere cardiache, aumentando la pressione del sangue e forzandone il passaggio attraverso le valvole cardiache. Le valvole hanno lembi flessibili che si aprono e chiudono per consentire o bloccare il flusso sanguigno: si aprono quando la pressione all'interno della camera aumenta e si chiudono quando la pressione diminuisce. 

Un esempio di simulazione FSI biomedica di un cuore umano è possibile tramite lo strumento PyAnsys-Heart.

Strutture civili

Edifici, ponti e altre strutture civili interagiscono con il vento e con l'acqua, manifestando fenomeni di interazione fluido-struttura. Gli edifici molto alti non solo oscillano sotto l'azione di venti intensi, ma sperimentano anche una FSI bidirezionale, poiché il loro movimento modifica il campo di vento circostante.

Tecnologia pulita

Due degli esempi più comuni di FSI nei prodotti per le tecnologie pulite sono il comportamento dei pannelli solari e delle turbine eoliche. I pannelli solari possono presentare un accoppiamento FSI monodirezionale quando non si muovono e sono rigidi, oppure bidirezionale quando possono flettersi o utilizzare attuatori per il posizionamento. Le pale delle turbine eoliche sono flessibili, si flettono sotto l'effetto della gravità e dei carichi del vento e ruotano per modificare il proprio orientamento rispetto al vento.

Turbomacchine

L'aria o il vapore che attraversano le turbomacchine interagiscono sia con i componenti solidi statici sia con quelli rotanti all'interno dei dispositivi. Gli ingegneri utilizzano simulazioni FSI per valutare l'aeroelasticità, le vibrazioni forzate, le valvole e le tenute. Gli studi FSI nelle turbomacchine sono complessi perché velocità, temperature e pressioni sono elevate.

Sistemi per fluidi

Molti prodotti sono dotati di sistemi che controllano il flusso di liquidi e gas attraverso il dispositivo o la macchina. La maggior parte delle valvole, delle tenute, dei sensori e delle pompe utilizzati nei sistemi fluidici è soggetta ad almeno un'interazione fluido-solido monodirezionale e può utilizzare un accoppiamento FSI bidirezionale per svolgere le funzioni previste.

La simulazione dell'interazione fluido-struttura è complessa perché comporta la modellazione di due fisiche distinte che devono essere impostate ed eseguite in modo ottimale, e perché la gestione del loro accoppiamento può risultare complicata. Di seguito è riportato un elenco delle sfide più comuni, con alcune raccomandazioni per superarle.

Scegliere lo strumento giusto per ciascuna fisica

La prima sfida in una simulazione FSI è scegliere gli strumenti di simulazione CFD e FEA strutturale più adatti. È necessario disporre di uno strumento di simulazione dei fluidi facile da usare, con il giusto mix di metodi numerici per catturare il comportamento del dominio fluido, efficiente nella risoluzione e con supporto FSI. Ad esempio, chi lavora con le turbomacchine sceglie spesso il software di fluidodinamica computazionale Ansys CFXper le sue solide capacità in questo settore. Gli ingegneri che modellano altre classi di problemi tendono invece a preferire il software di simulazione dei fluidi Ansys Fluent, grazie all'ampia gamma di modelli di turbolenza, alla mesh e remeshing robusti e alle funzionalità CFD avanzate.

Dal lato strutturale, è necessario un ambiente robusto e general-purpose come il software di analisi agli elementi finiti strutturali Ansys Mechanical, in grado di modellare accuratamente materiali e geometrie solide sia lineari sia non lineari e di offrire carichi sofisticati insieme alla più ampia gamma di funzionalità del settore. Gli utenti dovrebbero lavorare con uno strumento dotato di un'interfaccia utente facile da usare e programmabile, che supporti sia la modellazione FSI monodirezionale sia bidirezionale.

Un buon esempio di strumento completo per collegare fisiche indipendenti è il software Ansys System Coupling, che funge da risolutore per la connessione delle fisiche. Offre accoppiamento monodirezionale e bidirezionale, scripting, mappatura dei dati e funzionalità di scambio dati. Grazie alle capacità di interazione fluido-solido, è uno degli strumenti di riferimento per gli ingegneri che simulano questo tipo di accoppiamento tra sistemi.

Competenze di dominio per fluidi e strutture

La simulazione dei fluidi e quella strutturale sono molto diverse, così come lo sono gli strumenti CFD e quelli per la simulazione strutturale. Alcuni ingegneri possiedono una profonda conoscenza di entrambi i domini, ma nella maggior parte dei casi hanno una competenza principale in uno e solo una conoscenza di base dell'altro. Un modo per affrontare questo aspetto è scegliere entrambi gli strumenti dallo stesso fornitore, come Ansys, che offre anche corsi di formazione completi e webinar per aiutare gli utenti ad acquisire rapidamente competenze su entrambe le fisiche. Inoltre, se il set di strumenti include funzionalità di scripting, come lo strumento di accesso pitonico PyAnsys per il software Ansys, un esperto può impostare l'automazione per entrambe le fisiche. 

Tuttavia, il modo migliore per disporre di competenze di dominio è lavorare in team con un esperto del dominio che si conosce meno. È quindi possibile utilizzare strumenti di gestione dei dati di simulazione, come Ansys Minerva per la gestione dei processi e dei dati di simulazione, per collaborare e tenere traccia di modelli ed esecuzioni.

Scelta tra accoppiamento monodirezionale e bidirezionale

A volte non è chiaro se un determinato problema di interazione fluido-struttura richieda un accoppiamento monodirezionale o bidirezionale. In caso di dubbio, l'approccio migliore è iniziare con l'accoppiamento monodirezionale, perché è più semplice ed efficiente da risolvere. Se la soluzione evidenzia la necessità di un accoppiamento bidirezionale, si può allora effettuare il passaggio.

Gestione dell'instabilità numerica

Alcune situazioni FSI sono instabili, oppure i modelli possono essere costruiti con mesh o impostazioni errate, portando a problemi di non convergenza. In questi casi, è consigliabile lavorare con strumenti come quelli del portafoglio Ansys, che offrono molteplici metodi numerici per la stabilizzazione, oltre a una formazione e a un supporto completi.

Accesso a risorse computazionali sufficienti

Le simulazioni CFD sono di per sé computazionalmente onerose. Quando vengono accoppiate a un'analisi strutturale FEA, possono richiedere una quantità significativa di risorse, soprattutto nel caso di accoppiamento implicito bidirezionale. Per affrontare questo aspetto, è importante scegliere solutori che supportino il calcolo ad alte prestazioni (HPC), come Ansys CFX, Fluent e Mechanical, che scalano efficacemente con l'elaborazione parallela e l'uso delle GPU. Inoltre, è utile valutare l'impiego di risorse HPC basate su cloud, come Ansys Cloud, per disporre della capacità necessaria nel momento in cui serve.

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