Интеракција флуида и танкозидне структуре затворене контуре

Abstract

Интеракција флуида и танкозидне структуре коју флуид опструјава или протиче кроз њу је комплексан проблем који се среће у многим инжењерским дисциплинама. Домени две различите области динамике континуума, структуралне механике и динамике флуида, имају заједничку површ раздвајања. Предмет овог рада је интеракција термички оптерећеног канала аеросмеше и струје ваздуха који протиче кроз танкозидну структуру канала затворене контуре, састављену од хомогених, изотропних, челичних плоча. Услед спречених термичких дилатација у средњој површи танкозидног елемента, структура се деформише изазивајући промену облика струјног домена. У новом струјном домену се успоставља струјање другачије од струјања кроз недеформисани канал. Циљ рада је да се оцени утицај деформисане термички оптерећене структуре на струјно поље кроз канал и обратно. Проблем је решен коришћењем нумеричких метода просторне дискретизације континуума. За прорачун напонско-деформационог стања зида канала коришћена је метода коначних елемената. Претпостављена су униформна температурска поља на унутрашњем и спољашњем зиду канала. Дискретизација структуралног домена је извршена коначним елементима љуске формираних на основу Reissner- Mindlin-ове теорије плоча и љуски. Материјал плоче је моделиран серијом билинеарних карактеристика у зависности од температуре, са von Misses-овим условом течења и одговарајућим моделом ојачања материјала. За статичке нелинеарне структуралне прорачуне великих померања и деформација применом Њутн-Рапсонова методе са инкременталним уносом оптерећења коришћени су алгоритми софтверског пакета ANSYS. Дискретизациона метода коначних запремина је коришћена за решавање Рејнолдс усредњених Навије-Стоксових једначина нестишљивог нестационарног струјања ваздуха кроз деформисани канал применом софтверског пакета ANSYS CFX. У циљу оцене дисторзије Апстракт VII мреже коначних запремина у деформисаном струјном простору, деформација мреже је дефинисана фактором крутости који зависи од удаљености од најближег зида. Једначине динамике флуида и структуралне механике су спрегнуте условом да су положај и брзина тачке која лежи на површи раздвајања ова два домена, исте у сваком од домена. У ту сврху је коришћена процедура итеративног узастопног спрезања ова два прорачуна. За пренос оптерећења између различитих домена коришћени су алгоритам претраге по блоковима и метода преноса утицаја интерполацијом са одржањем профила. Резултати прорачуна указују да модел преноса и карактеристике мрежа утичу на конвергенцију и добијени резултат...

Fluid - structure interaction is very complex problem that could be faund in many branches of engineering. Structure mechanics and fluid dynamics are interconnecting on the surface of separatin of two different physical domains. The object of this work is interaction of thermally loaded air-coal mixture channel and air flow through the thin walled channel structure of closed conture, made of homogenous, isotropic, steel plates. Thermal load induce deformation of the channel wall into wave - type shapes depending on thermal load and fluid inlet velocity inducing the changes of fluid flow accordingly. The air flow through the new, deformed domain is different than flow through undeformed one. The goal of this work is to evaluate influence of thermally deformed channel on fluid flow and vice versa. The problem is solved using methods of numerical spatial discretization. The finite element method is used for stress-strain calculation. Thermal load is supposed as uniformly distributed temperature fields on inner and outer surface of the channel’s walls. Structure is discretized by shell finite elements based on Reissner-Mindlin formulation. Material model descripte a series of bilinear temperature dependent characteristics, von Misses yield conditions and appropriate flow and hardening rules. The incrementally loaded structural model with geometric and material nonlinearities is solved by Newton-Ralphson method using ANSYS software. The unsteady Navier- Stokes equations are numerically solved using an element-based finite volume method and second order backward Euler discretization scheme. The algorithm of ANSYS CFX software is used for the fluid flow solution. In order to evaluate deformation of flow domain mesh due to deflection of the plates, additional variable, namely mesh stiffnes, is solved. The mesh stiffnes parameterer is related to the distance from the nearest wall, as well as the level of the mesh deformation. The computational structural mechanics and computational fluid dynamics are coupled by the condition that displacement and velocity of the point laying in the interface surface are the same for both domains. The Abstract IX implicit two-way iterative code coupling, partitioned solution approach, were used while solving these numerical tests. The bucket search algorithm and profile preserving interpoaltion method were used for load transfer between disimilar meshes. A set of fluid - structure interaction (FSI) numerical tests have been defined by varying the values of fluid inlet velocity, temperature of inner and outer surface of the channel wall and numerical grid density.The results of this set of numerical calculations indicate that model of load transfer used and meshes charachteristics infuence convergence of the calculation and obtained results...