تحليل عددي نوسانات صفحه منعطف متصل به انتهاي جسم صلب در جريان لزج تراكم پذير با استفاده از شبيه سازي سه بعدي اندركنش سيال- سازه

Numerical Analysis of Oscillations of Flexible Strip Attached to Rigid Body in Compressible Viscous Flow via 3D Fluid- Structure Interaction Simulation

در اين مقاله به تحليل نوسانات يك نوار باريك بسيار انعطاف پذير متصل به جسم سه بعدي كه در معرض جريان سيال لزج فروصوت قرار دارد، پرداخته شده است. هدف تحليل تداخل سازه و سيال با استفاده از الگوريتم تركيبي مناسب است كه بتواند بخش حل سيال و حل سازه را بخوبي با هم تركيب نموده و تبادل اطلاعات مناسبي را تامين نمايد. براي حل جريان سيال از يك حلگر ديناميك سيالات محاسباتي استفاده شده و تحليل سازه توسط مدل تير يك سردرگير اويلر- برنولي صورت گرفته است. براي تحليل اندركنش سيال- سازه، الگوريتم تركيبي چند بخشي تكراري براي برقراري ارتباط و تبادل اطلاعات ميان بخش هاي سيال و سازه به كارگيري شده و شبيه سازي انجام شده است. در ادامه با توجه به عددهاي سختي خمشي مختلف و جرم هاي متفاوت نوار باريك، نتايج و نمودارهاي مربوط به مشخصات نوسان شامل دامنه و فركانس، همچنين تغييرات نيرو و گشتاور ناشي از نوسانات ارائه شده است. تحليل در هر دو حالت دوبعدي و سه بعدي انجام شده است كه حالت سه بعدي شامل يك استوانه و نوار باريك انعطاف پذير متصل به آن است. نتايج حاصل نشان مي دهد كه چارچوب محاسباتي توسعه يافته به خوبي فيزيك حاكم بر مساله اندركنش سيال- سازه را تسخير نموده است. همچنين مطالعه پارامتري نشان مي دهد كه براي نوار باريك منعطف متصل به جسم در رژيم جريان مورد مطالعه سه حالت تغييرشكل استاتيك، نوسان پايدار و ناپايداري آشوبناك (تقريبا 106>E) رخ خواهد داد.

In this paper, oscillations of a thin high flexible strip attached to a three-dimensional body in viscous subsonic flow were simulated. The aim is to analyze the interactions of fluid and structure using a proper coupling algorithm that can couple the fluid and structure solvers and provide the proper data exchange between them. A computational fluid dynamics solver is used for fluid flow simulation and Euler-Bernoulli cantilevered beam model is used for structural analysis. For analyzing the fluid-structure interaction, iterative partitioned coupling algorithm is used for interrelation and data exchange between structure and fluid. Then, the results of vibration characteristics including the amplitude and frequency and forces and moments variations are presented with respect to different bending stiffness and strip masses. The simulation is done in 2D and 3D conditions which 3D case is for a cylinder and flexible strip attached to the bottom of the body. Results show that the developed framework captures the physics of fluid-structure interaction successfully. Also, parametric study shows that for the flexible thin strip attached to the end of the body in the specified regime of flow, three deformation types consist of static deformation, stable oscillations, and chaotic unstable oscillations will occur based on the strip characteristics.