✖


Jump to content

Взаимодействие жидкости и конструкции

Взаимодействие жидкости со структурой ( FSI ) — это взаимодействие некоторой подвижной или деформируемой конструкции с внутренним или окружающим потоком жидкости. [1] Взаимодействия жидкость-структура могут быть устойчивыми или колебательными. При колебательных взаимодействиях деформация, возникающая в твердой конструкции, заставляет ее двигаться так, что источник деформации уменьшается, и структура возвращается в прежнее состояние только для повторения процесса.

Распространение волны давления через несжимаемую жидкость в гибкой трубке.

Примеры

[ редактировать ]

Взаимодействие жидкости и конструкции является решающим фактором при проектировании многих инженерных систем, например, автомобилей, самолетов, космических кораблей, двигателей и мостов. Игнорирование эффектов колебательных взаимодействий может иметь катастрофические последствия, особенно в конструкциях, состоящих из материалов, подверженных усталости . Мост Такома-Нарроуз (1940 г.) , первый мост Такома-Нарроуз, вероятно, является одним из самых печально известных примеров крупномасштабных неудач. Крылья самолета и лопатки турбины могут сломаться из-за колебаний FSI. Трость действительно производит звук , потому что система уравнений, управляющая ее динамикой, имеет колебательные решения. Динамика лепестковых клапанов, используемых в двухтактных двигателях и компрессорах, регулируется FSI. Акт « выдувания малины » — еще один такой пример. Взаимодействие между компонентами трибологических машин, такими как подшипники и шестерни , и смазкой также является примером FSI. [2] Смазка течет между контактирующими твердыми компонентами и при этом вызывает в них упругие деформации. Взаимодействия между жидкостью и структурой также происходят в движущихся контейнерах, где колебания жидкости из-за движения контейнера создают значительные силы и моменты к конструкции контейнера, которые крайне неблагоприятно влияют на устойчивость контейнерной транспортной системы. [3] [4] [5] [6] Другим ярким примером является запуск ракетного двигателя, например, главного двигателя космического корабля "Шаттл" (SSME) , где FSI может привести к значительным нестационарным боковым нагрузкам на конструкцию сопла. [7] Помимо эффектов, вызванных давлением, FSI также может оказывать большое влияние на температуру поверхности сверхзвуковых и гиперзвуковых транспортных средств. [8]

Взаимодействия жидкость-структура также играют важную роль в правильном моделировании кровотока . Кровеносные сосуды действуют как эластичные трубки, которые динамически меняют размер при изменении кровяного давления и скорости кровотока. [9] Неучет этого свойства сосудов может привести к значительному завышению результирующего напряжения сдвига стенки (НСС). Этот эффект особенно необходимо учитывать при анализе аневризм. Стало обычной практикой использовать вычислительную гидродинамику для анализа моделей конкретных пациентов. Шейка аневризмы наиболее подвержена изменениям WSS. Если стенка аневризмы становится достаточно слабой, возникает риск ее разрыва при слишком высоком уровне WSS. Модели FSI имеют в целом более низкий показатель WSS по сравнению с моделями, не соответствующими требованиям. Это важно, поскольку неправильное моделирование аневризмы может привести к тому, что врачи решат выполнить инвазивную операцию пациентам, у которых нет высокого риска разрыва. Хотя FSI предлагает более качественный анализ, за ​​это приходится значительно увеличивать время вычислений. Для моделей, не соответствующих требованиям, время расчета составляет несколько часов, а для моделей FSI может потребоваться до 7 дней. Это приводит к тому, что модели FSI наиболее полезны для профилактических мер при раннем обнаружении аневризмы, но непригодны для экстренных ситуаций, когда аневризма, возможно, уже разорвалась. [10] [11] [12] [13]

Анализ

[ редактировать ]

Проблемы взаимодействия жидкости и конструкции и мультифизические проблемы в целом часто слишком сложны для аналитического решения, поэтому их приходится анализировать посредством экспериментов или численного моделирования . Исследования в области вычислительной гидродинамики и вычислительной структурной динамики все еще продолжаются, но зрелость этих областей позволяет численно моделировать взаимодействие жидкости и конструкции. [14] Существуют два основных подхода к моделированию проблем взаимодействия жидкости и конструкции:

  • Монолитный подход: уравнения, управляющие потоком и перемещением конструкции, решаются одновременно с помощью одного решателя.
  • Разделенный подход: уравнения, управляющие потоком и смещением конструкции, решаются отдельно с помощью двух разных решателей.

Монолитный подход требует кода, разработанного для этой конкретной комбинации физических задач, тогда как секционированный подход сохраняет модульность программного обеспечения, поскольку существующие решатели потоков и структурные решатели связаны. Более того, подход с разделением облегчает решение уравнений потока и структурных уравнений с использованием различных, возможно, более эффективных методов, которые были разработаны специально для уравнений потока или структурных уравнений. С другой стороны, для разделенного моделирования требуется разработка стабильного и точного алгоритма связи. В заключение следует отметить, что секционированный подход позволяет повторно использовать существующее программное обеспечение, что является привлекательным преимуществом. Однако необходимо учитывать стабильность метода связи. Это особенно сложно, если масса движущейся конструкции мала по сравнению с массой жидкости, вытесняемой при движении конструкции.

Кроме того, обработка сеток вводит другие классификации анализа FSI. Например, их можно классифицировать как соответствующие сеточные методы и несогласованные сеточные методы. [15] Другими классификациями могут быть методы на основе сетки и методы без сетки. [16]

Численное моделирование

[ редактировать ]

метод Ньютона-Рафсона или другую итерацию с фиксированной точкой Для решения задач FSI можно использовать . Методы, основанные на итерации Ньютона–Рафсона, используются как в монолитном [17] [18] [19] и разделенный [20] [21] подход. Эти методы решают нелинейные уравнения потока и структурные уравнения во всей области жидкости и твердого тела с помощью метода Ньютона-Рафсона. Система линейных уравнений в рамках итерации Ньютона-Рафсона может быть решена без знания якобиана с помощью безматричного итерационного метода , используя конечно-разностную аппроксимацию произведения якобиана на вектор.

В то время как методы Ньютона-Рафсона решают проблемы течения и структуры для состояния во всей области жидкости и твердого тела, также возможно переформулировать задачу FSI как систему, в которой неизвестными являются только степени свободы в положении границы раздела. Эта декомпозиция области объединяет ошибку проблемы FSI в подпространство, связанное с интерфейсом. [22] Следовательно, задачу FSI можно записать либо как задачу поиска корня, либо как задачу с фиксированной точкой, при этом положение интерфейса неизвестно.

Интерфейсные методы Ньютона-Рафсона решают эту проблему поиска корней с помощью итераций Ньютона-Рафсона, например, с помощью аппроксимации якобиана из линейной модели упрощенной физики. [23] [24] Интерфейсный квазиньютоновский метод с аппроксимацией обратного якобиана из модели наименьших квадратов объединяет решатель потоков черного ящика и структурный решатель. [25] посредством информации, собранной во время итераций сопряжения. Этот метод основан на методе квазиньютоновского блока интерфейса с аппроксимацией якобианов из моделей наименьших квадратов, который переформулирует задачу FSI как систему уравнений, в которой как положение интерфейса, так и распределение напряжений на интерфейсе являются неизвестными. Эта система решается с помощью блочных квазиньютоновских итераций типа Гаусса–Зейделя, а якобианы потокового и структурного решателей аппроксимируются с помощью моделей наименьших квадратов. [26]

Задачу с фиксированной точкой можно решить с помощью итераций с фиксированной точкой, также называемых (блочными) итерациями Гаусса – Зейделя. [21] это означает, что задача потока и структурная задача решаются последовательно до тех пор, пока изменение не станет меньше критерия сходимости. Однако итерации сходятся медленно, если вообще сходятся, особенно когда взаимодействие между жидкостью и конструкцией сильное из-за высокого соотношения плотности жидкости/структуры или несжимаемости жидкости. [27] Сходимость итераций с фиксированной точкой можно стабилизировать и ускорить с помощью релаксации Эйткена и релаксации наискорейшего спуска, которые адаптируют коэффициент релаксации на каждой итерации на основе предыдущих итераций. [28]

Если взаимодействие между жидкостью и конструкцией слабое, на каждом временном шаге требуется только одна итерация с фиксированной точкой. Эти так называемые шахматные или слабосвязанные методы не обеспечивают достижение равновесия на границе раздела жидкость-структура за временной шаг, но они подходят для моделирования аэроупругости с тяжелой и довольно жесткой структурой.В нескольких исследованиях анализировалась стабильность разделенных алгоритмов моделирования взаимодействия жидкости и конструкции. [27] [29] [30] . [31] [32] [33]

См. также

[ редактировать ]

Открытые исходные коды

[ редактировать ]

Академические кодексы

[ редактировать ]

Коммерческие кодексы

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Бунгартц, Ханс Иоахим; Шефер, Майкл, ред. (2006). Взаимодействие жидкости и конструкции: моделирование, симуляция, оптимизация . Издательство Спрингер . ISBN  978-3-540-34595-4 .
  2. ^ Сингх, Кушагра; Садеги, Фаршид; Рассел, Томас; Лоренц, Стивен Дж.; Петерсон, Вятт; Вильярреал, Джарет; Джинмон, Такуми (01 сентября 2021 г.). «Моделирование взаимодействия жидкости и конструкции линейных контактов с эластогидродинамической смазкой» . Журнал трибологии . 143 (9). дои : 10.1115/1.4049260 . ISSN   0742-4787 . S2CID   230619508 .
  3. ^ Колаи, Амир; Ракхеджа, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (25 января 2016 г.). «Эффективная методология моделирования динамики крена автоцистерны в сочетании с переходным выплеском жидкости». Журнал вибрации и контроля . 23 (19): 3216–3232. дои : 10.1177/1077546315627565 . ISSN   1077-5463 . S2CID   123621791 .
  4. ^ Колаи, Амир; Ракхеджа, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (01 сентября 2015 г.). «Трехмерное динамическое выплескивание жидкости в частично заполненных горизонтальных резервуарах, подверженных одновременным продольным и боковым возбуждениям». Европейский журнал механики Б. 53 : 251–263. Бибкод : 2015EJMF...53..251K . doi : 10.1016/j.eurotechflu.2015.06.001 .
  5. ^ Колаи, Амир; Ракхеджа, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (6 января 2014 г.). «Область применимости теории линейного выплескивания жидкости для прогнозирования переходных боковых выплесков и устойчивости к крену автоцистерн». Журнал звука и вибрации . 333 (1): 263–282. Бибкод : 2014JSV...333..263K . дои : 10.1016/j.jsv.2013.09.002 .
  6. ^ Колаи, Амир; Ракхеджа, Субхаш; Ричард, Марк Дж. (01 июля 2014 г.). «Влияние поперечного сечения резервуара на динамические нагрузки от выплесков жидкости и устойчивость к крену частично заполненной автоцистерны». Европейский журнал механики Б. 46 : 46–58. Бибкод : 2014EJMF...46...46K . doi : 10.1016/j.euromechflu.2014.01.008 .
  7. ^ Мануэль, Фрей (2001). «Решение проблем с потоком в соплах ракет при чрезмерном расширении» (на немецком языке). дои : 10.18419/опус-3650 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  8. ^ Дауб, Деннис; Эссер, Буркард; Гюльхан, Али (апрель 2020 г.). «Эксперименты по взаимодействию высокотемпературной гиперзвуковой жидкости с конструкцией при пластической деформации» . Журнал АИАА . 58 (4): 1423–1431. Бибкод : 2020AIAAJ..58.1423D . дои : 10.2514/1.J059150 . ISSN   0001-1452 .
  9. ^ Тарен, Джеймс А. (1965). «Церебральная аневризма». Американский журнал медсестер . 65 (4): 88–91. дои : 10.2307/3453223 . ISSN   0002-936X . JSTOR   3453223 . ПМИД   14258014 . S2CID   31190911 .
  10. ^ Сфорца, Дэниел М.; Путман, Кристофер М.; Себрал, Хуан Р. (июнь 2012 г.). «Вычислительная гидродинамика при аневризмах головного мозга» . Международный журнал численных методов в биомедицинской инженерии . 28 (6–7): 801–808. дои : 10.1002/cnm.1481 . ISSN   2040-7939 . ПМК   4221804 . ПМИД   25364852 .
  11. ^ Хе, АК; Черевко А.А.; Чупахин А.П.; Бобкова, М.С.; Кривошапкин А.Л.; Орлов, К Ю (июнь 2016 г.). «Гемодинамика гигантской церебральной аневризмы: сравнение моделей FSI с жесткой стенкой, односторонней и двусторонней» . Физический журнал: серия конференций . 722 (1): 012042. Бибкод : 2016JPhCS.722a2042K . дои : 10.1088/1742-6596/722/1/012042 . ISSN   1742-6588 .
  12. ^ Тории, Ре; Осима, Мари; Кобаяши, Тошио; Такаги, Киёси; Тездуяр, Тайфун Э. (15 сентября 2009 г.). «Моделирование взаимодействия жидкости и структуры кровотока и церебральной аневризмы: значение форм артерии и аневризмы». Компьютерные методы в прикладной механике и технике . Модели и методы вычислительной сосудистой и сердечно-сосудистой механики. 198 (45): 3613–3621. Бибкод : 2009CMAME.198.3613T . дои : 10.1016/j.cma.2008.08.020 . ISSN   0045-7825 .
  13. ^ Разаги, Реза; Биглари, Хасан; Карими, Алиреза (01 июля 2019 г.). «Риск разрыва церебральной аневризмы в связи с черепно-мозговой травмой с использованием индивидуальной модели взаимодействия жидкости и структуры». Компьютерные методы и программы в биомедицине . 176 : 9–16. дои : 10.1016/j.cmpb.2019.04.015 . ISSN   0169-2607 . ПМИД   31200915 . S2CID   155305862 .
  14. ^ Дж. Ф. Сигрист (2015). Взаимодействие жидкости и конструкции: введение в связь конечных элементов . Уайли ( ISBN   978-1-119-95227-5 )
  15. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 31 октября 2014 г. Проверено 28 ноября 2014 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
  16. ^ Чжан, Чи; Резаванд, Масуд; Ху, Сянъюй (15 марта 2021 г.). «Метод SPH с несколькими разрешениями для взаимодействия жидкости со структурой». Журнал вычислительной физики . 429 : 110028. arXiv : 1911.13255 . Бибкод : 2021JCoPh.42910028Z . дои : 10.1016/j.jcp.2020.110028 . S2CID   208513116 .
  17. ^ М. Хайль (2004). «Эффективный решатель для полностью связанного решения проблем взаимодействия жидкости и конструкции большого смещения». Компьютерные методы в прикладной механике и технике . 193 (1–2): 1–23. Бибкод : 2004CMAME.193....1H . дои : 10.1016/j.cma.2003.09.006 .
  18. ^ К.-Ж. Купаться ; Х. Чжан (2004). «Разработки методом конечных элементов для общих потоков жидкости со структурными взаимодействиями». Международный журнал численных методов в технике . 60 (1): 213–232. Бибкод : 2004IJNME..60..213B . CiteSeerX   10.1.1.163.1531 . дои : 10.1002/nme.959 . S2CID   17143434 .
  19. ^ Дж. Хрон, С. Турек (2006). Х.-Ж. Бунгартц; М. Шефер (ред.). Монолитный FEM/многосеточный решатель для ALE-формулирования взаимодействия жидкости и структуры с применением в биомеханике . Конспекты лекций по вычислительной технике и технике. Том. Взаимодействие жидкости и конструкции – моделирование, симуляция, оптимизация. Спрингер-Верлаг . стр. 146–170. ISBN  978-3-540-34595-4 .
  20. ^ Х. Мэттис; Дж. Штайндорф (2003). «Разделенные алгоритмы сильной связи для взаимодействия жидкости со структурой». Компьютеры и конструкции . 81 (8–11): 805–812. CiteSeerX   10.1.1.487.5577 . дои : 10.1016/S0045-7949(02)00409-1 .
  21. ^ Jump up to: а б Х. Мэттис; Р. Никамп; Дж. Штайндорф (2006). «Алгоритмы процедур сильной связи». Компьютерные методы в прикладной механике и технике . 195 (17–18): 2028–2049. Бибкод : 2006CMAME.195.2028M . дои : 10.1016/j.cma.2004.11.032 .
  22. ^ К. Михлер; Э. ван Бруммелен; Р. де Борст (2006). «Анализ усиления ошибок GMRES, предварительно обусловленного субитерацией, для взаимодействия жидкости и конструкции». Компьютерные методы в прикладной механике и технике . 195 (17–18): 2124–2148. Бибкод : 2006CMAME.195.2124M . дои : 10.1016/j.cma.2005.01.018 .
  23. ^ Ж.-Ф. Жербо; М. Видраску (2003). «Алгоритм квазиньютона, основанный на сокращенной модели для задач взаимодействия жидкости и структуры в потоках крови» (PDF) . ESAIM: Математическое моделирование и численный анализ . 37 (4): 631–648. дои : 10.1051/м2ан:2003049 .
  24. ^ Ж.-Ф. Жербо; М. Видраску; П. Фрей (2005). «Взаимодействие жидкости и структуры в потоках крови в зависимости от геометрии на основе медицинских изображений». Компьютеры и конструкции . 83 (2–3): 155–165. doi : 10.1016/j.compstruc.2004.03.083 .
  25. ^ Дж. Дегроот; К.-Ж. Купаться; Дж. Виренделс (2009). «Выполнение новой разделенной процедуры по сравнению с монолитной процедурой при взаимодействии жидкости и структуры». Компьютеры и конструкции . 87 (11–12): 793–801. CiteSeerX   10.1.1.163.827 . дои : 10.1016/j.compstruc.2008.11.013 .
  26. ^ Дж. Виренделс; Л. Ланойе; Дж. Дегроот; П. Вердонк (2007). «Неявная связь задач взаимодействия разделенной жидкости и структуры с моделями пониженного порядка». Компьютеры и конструкции . 85 (11–14): 970–976. doi : 10.1016/j.compstruc.2006.11.006 .
  27. ^ Jump up to: а б П. Каузин; Ж.-Ф. Жербо; Ф. Нобиле (2005). «Эффект добавленной массы при разработке разделенных алгоритмов для задач структуры жидкости» (PDF) . Компьютерные методы в прикладной механике и технике . 194 (42–44): 4506–4527. Бибкод : 2005CMAME.194.4506C . дои : 10.1016/j.cma.2004.12.005 . S2CID   122528121 .
  28. ^ У. Кюттлер; В. Уолл (2008). «Решатели взаимодействия жидкости и конструкции с фиксированной точкой и динамической релаксацией». Вычислительная механика . 43 (1): 61–72. Бибкод : 2008CompM..43...61K . дои : 10.1007/s00466-008-0255-5 . S2CID   122209351 .
  29. ^ Дж. Дегроот; П. Брюггеман; Р. Хелтерман; Дж. Виренделс (2008). «Стабильность метода связи для разделенных решателей в приложениях FSI» . Компьютеры и конструкции . 86 (23–24): 2224–2234. doi : 10.1016/j.compstruc.2008.05.005 . HDL : 1854/LU-533350 .
  30. ^ Р. Джейман; С. Цзяо; П. Гебель; Э. Лот (2006). «Консервативная передача нагрузки вдоль изогнутой границы раздела жидкость-твердое тело с несовпадающими сетками». Журнал вычислительной физики . 218 (1): 372–397. Бибкод : 2006JCoPh.218..372J . CiteSeerX   10.1.1.147.4391 . дои : 10.1016/j.jcp.2006.02.016 .
  31. ^ Дж. Виренделс; К. Дюмон; Э. Дик; П. Вердонк (2005). «Анализ и стабилизация алгоритма взаимодействия жидкости с конструкцией при движении твердого тела» . Журнал АИАА . 43 (12): 2549–2557. Бибкод : 2005AIAAJ..43.2549V . дои : 10.2514/1.3660 .
  32. ^ Кристиана Фёрстер; Вольфганг А. Уолл; Эккехард Рамм (2006). П. Весселинг; Э. Оньяте; Ж. Перио (ред.). Эффект искусственной добавленной массы в алгоритмах последовательного шахматного взаимодействия жидкости и структуры . Европейская конференция по вычислительной гидродинамике ECCOMAS CFD 2006. Нидерланды.
  33. ^ Кристиана Фёрстер; Вольфганг А. Уолл; Эккехард Рамм (2007). «Искусственные добавленные массовые неустойчивости при последовательном шахматном соединении нелинейных структур и несжимаемых вязких течений». Компьютерные методы в прикладной механике и технике . 196 (7): 1278–1293. Бибкод : 2007CMAME.196.1278F . дои : 10.1016/j.cma.2006.09.002 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]

Модаррес-Садеги, Яхья: Введение во взаимодействие жидкости и структуры, 2021, Springer Nature, 978-3-030-85882-7, http://dx.doi.org/10.1007/978-3-030-85884-1 Знакомит студентов и специалистов с предметом «Взаимодействие жидкости и конструкции» (FSI) и обсуждает основные идеи FSI с целью предоставить фундаментальное понимание читателям, которые обладают ограниченным пониманием предмета или вообще не понимают его.


Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fluid–structure_interaction&oldid=1225177478"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 091920c92d49ab89b6bdc90dac149c30__1716399180
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/09/30/091920c92d49ab89b6bdc90dac149c30.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Fluid–structure interaction - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)