Mejores Prácticas para Interacción Fluido Estructura€¦ · · 2014-10-29Hay varios rutas de...

Mejores Prácticas para Interacción Fluido Estructura

Carlos Franco Robledo Grupo SSC [email protected]

mailto:[email protected]

Agenda

• Introducción FSI

• Mejores Prácticas para Análisis 1-way

Esfuerzos-Térmicos

Esfuerzos Térmicos + Presión

• 2-way Esfuerzos Térmicos

FSI Workflow

• FSI Ejemplos

• FSI Explícitos

•Drag-and-drop para pasar las cargas térmicas y fuerzas (presiones) entre sistemas en WB

FSI Introducción Transferencia de cargas 1-way

Temperatura volumétrica

Temperaturas volumétricas Usadas para un análisis de esfuerzos térmicos.

Wall HTC

Coeficientes de transferencia de calor de CFD usados para un análisis térmico.

•2-way Cargas/Desplazamiento

FSI General Transferencia de cargas 2-way

Sismo estructural y respuesta de agitación “sloshing” de un liquido

almacenado en un tanque

•Nuevo R15.0: 2-way térmico y térmico-estructural a través de “System Coupling”

Deflector de flujo con hoja bimetálica. Presión del fluido y carga térmica son

acopladas para conseguir la respuesta del deflector.

Sello-laberinto. La separación del sello depende de las fuerzas esculturales Rotacionales, presión del

fluido y esfuerzos térmicos causados en parte por el fluido caliente.

FSI General Transferencia de Cargas 2-way

• ¿Que es la Interacción Fluidos Estructura? – Acurre cuando un fluido interactúa con una estructura o cuerpo sólido – El Flujo puede ejercer presión y/o cargas térmicas

• Estas pueden causar deformaciones estructurales suficientemente significativas para cambiar el régimen del fluido mismo (Interacción 2-way)

• O las deformaciones pueden ser despreciadas en el lado del fluido (1-way)

– Los sólidos pudieran deformarse o moverse debido a fuerzas externas, conduciendo el fluido, o ejerciendo cargas térmicas sobre el fluido.

• Nuevamente, interacciones (1-way) y (2-way) son posibles • Por que es importante la FSI?

– Crucial en entender muchos problemas de ingeniería • Selección de material, fatiga, efectos sobre parámetros de flujo de

fluidos y estructurales. – Para entender mejor los diseños!

Interacción Fluido Estructura (FSI)

Aproximaciones de Modelación

• La FSI puede ser categorizada por el grado de acoplamiento físico entre los campos de solución del fluido y el sólido

– ¿Que tan sensible es uno de los campos a cambio en el otro campo?

• Los campos que están fuertemente acoplados en sus física requieren un fuerte esfuerzo numérico para el acoplamiento

– Generalmente más difícil de resolver

• Los campos de solución que son relativamente independientes pueden ser resueltos con un acoplamiento débil o desacoplados (1-way)

Acoplameinto Físico

Acoplamiento Numérico

Fuer

te

Devi

l M

uy

Fuer

te

1-way (Desacoplado)

2-way

Explicito Implicito

Iterativo

Totalmente Acoplado

CHT, pequeñas deformaciones (Excluyendo turbulencia inducida), …

Vórtices induciendo vibración, …

Membranas biomédicas altamente

deformables, …

Deformación de alabes, cuerpos rígidos, …

Aproximaciones de Modelación

Agenda



Esfuerzos-Térmicos

Esfuerzos Térmicos +Presión

• 2-way Esfuerzos Térmicos

FSI Workflow

• FSI Ejemplo

• Explícitos

• Calculo de transferencia de calor conjugado in Fluent/CFX, seguido por una trasferencia de temperaturas volumétricas a un modelo estructural estático o transitorio.

• En muchos casos este es en mejor método.

• El sistema CFD Resuelve el campo térmico acoplado entre Fluido y solido, de manera que las temperaturas correctas son determinadas desde el primer paso.

• The solid body temperature is mapped to the structural system

Mejores Prácticas: Esfuerzos Térmicos 1-way

Hay varios rutas de trabajo que permiten calcular resultados de esfuerzos térmicos, considerando enfriamiento o calentamiento.

Téc-Tip 1: Revisión del diagnostico de mapeo en el modulo estructural para cualquier nodo no mapeado

• Transferencia de Calor CFD (Convección). Coeficientes de transferencia de calor son pasados a un sistema térmico, seguido de una conexión a un sistema estructural

• Las temperaturas de fluido y del sólido no son evaluadas totalmente acopladas.

• Es la mejor opción cuando los coeficientes de transferencia de calor son calculados usando una temperatura de referencia que es representativa de la temperatura libre local.


• Después de resolver el sistema térmico hay qué revisar que tan cercana/ alejada quedo la temperatura de la pared mojada y compara contra las condiciones de frontera aplicada en CFD

• Puede ser necesario re-ejecutar el cálculo de CFD con una actualización de la temperatura del muro

• Usando el «External Data» y acoplamiento se puede pasar la temperatura de regreso a CFD. – O considerar mejor un acoplamiento

térmico en 2-way

Téc-Tip 2: se puede exportar la temperatura de pared del modulo térmico a CFD creando una «Fluid Solid Interface»


• El primer caso es un modelo de Transferencia de Calor Conjugado y su acoplamiento con el modelo estructural.

• Una trasferencia de temperaturas volumétricas a un modelo estructural estático o transitorio. Las temperaturas de fluido y del sólido son evaluadas totalmente acopladas.

• Una transferencia de presiones en las paredes mojadas desde el CFD al modulo estructural.

Mejores Prácticas: Esfuerzos Térmicos 1-way +presión

• Dos formas de incluir el efecto de la presión en los modelos de FSI 1-way.

• El método a usar tiene que ver

con los efectos térmicos que se puedan estar considerando, y la forma en la cual estos se van a incluir en el estudio.

• En el segundo caso es un modelo de Transferencia de Calor CFD (Convección) y su acoplamiento a un modelo térmico y posterior con el modulo estructural.

• Pasar los coeficientes de transferencia de calor a un modelo térmico estable o transitorio. Las temperaturas de fluido y del sólido no son evaluadas totalmente acopladas.

• Ejecutar el modelo térmico para obtener las temperaturas en el sólido y pasar dichas temperaturas volumétricas al modelo estructural.

• Una transferencia de presiones en las paredes mojadas desde el CFD al modulo estructural.

Mejores Prácticas: Esfuerzos Térmicos 1-way +presión

• Dos formas de incluir el efecto de la presión en los modelos de FSI 1-way.

• Después de resolver el sistema térmico hay qué revisar que tan cercana/ alejada quedo la temperatura de la pared mojada y compara contra las condiciones de frontera aplicada en CFD.

• Puede ser necesario re-ejecutar el cálculo de CFD con una actualización de la temperatura del muro antes de llevar la solución a la estructura.

• En el modelo estructural mapear las presiones sobre las paredes mojadas, y las temperaturas previamente ajustadas.

Téc-Tip 3: verificar las temperaturas del térmico y revisar las zonas de aplicaciones de las presiones.

Mejores Practicas: Esfuerzos Térmicos 1-way

Téc-Tips: para 1Way FSI 1) CFD CHT - Estructural • Verificar esquemas de interpolación (CFD-ESTRUC) • Mallas similares • Misma malla • Fijado de nodos no mapeados. 2) CFDConvección – Térmico - Estructural • Usando «Fluis Solid Interface» se puede crear un archivo con las temperaturas de la región

elegida, y estas pueden ser exportadas a un archivo de ASCII que quedara en la carpeta de solución del módulo estructural.

• El archivo en formato ASCII puede ser leído en el modulo de CFD como condición de frontera.

3) CFD – Térmico – (+Presión) • Los dos anteriores. • Adicionalmente verificar los patrones de presión importada al modelo sólido Vs modelo de

CFD. • Malla homogénea, comparable la escala en CFD y Estructural, para ganar tiempo de

durante transferencia, interpolación. • Si la malla es la misma, se puede generar la interpolación más rápido.

Agenda



Esfuerzos-Térmicos


• FSI 2-way Esfuerzos Térmicos

FSI 2-way Workflow

• FSI Ejemplo

• Explícitos

2-way Térmico - Estructural Trayectoria de filtración en inyector de combustible

Aguja

Trayectoria de

filtración/ fuga

Sálida de combistib

le

Los inyectores de combustible tiene una separación muy angosta entre la aguja y la carcasa. La alta

presión y los esfuerzos térmicos afectan el tamaño de la separación. El trabajo viscoso del fluido

también juega un rol significativo en los esfuerzos térmicos. Una simulación acoplada de un modelo térmico estructural es necesaria para simular esta

condición.

Desplazamiento estructural debido a fuerzas y esfuerzos

térmicos

Temperatura estructural

Trayectoria de filtración

Carcasa

Dirección de flujo

Dirección de flujo

• Conectar una simulación Estática o Transitoria y un una simulación de CFD a una sistema de acoplamiento.

Acoplamiento de sistemas

Estructural Fluidos

2-way Térmico - Estructural Workflow

Configurar de manera usual/común el análisis estructural, Cargas/ Restrcciones

Definir las regiones de la estructura que interactúan con el fluido -FSI interfaces –

MAS IMPORTANTE: Dentro de Ansys Workbench al insertar un tipo de simulación; térmico, estructural, explicito, electromagnético, etc., el software queda configurado para resolver esa física exclusivamente de manera que los grados de libertar en los elementos de la malla sólo son los necesarias.

Importante: Definir como “All System Coupling Data Transfers” para transferir tanto cargas térmicas como datos estructurales.

Téc-Tip:


Si queremos modificar los grados de libertad de los elementos tenemos que hacer lo siguiente: • Identificar que grados de libertad se van incluir. • Asegurarnos de que las propiedades de material

definidas incluyan los datos correspondientes para capturar el fenómeno esperado.

• Buscar que tipo de elemento es el que requerimos -librería de ANSYS- (Topología geométrica, número de nodos, GL, dimensionalidad y Keyopt).

• Agregar una serie de comandos para hacer el cambio de los elementos de solo estructurales a estructurales + algo adicional.

• Identificar si requiere condiciones iniciales.

Téc-Tip:

No me gustan los Comandos……!!!!! Descarga la extensión «Coupled Field Physics Extension» y configúralo en la GUI Dependiendo de las aplicación/cambio física que requieras.


Act extensión: modelos Piezoelectricos, Térmico-Piezo y Térmico-Estructural dentro de ANSYS WorkBench usando ACT.

• Estático • Modal • Armónico –Full Harmonic • Armónico –MSUP harmonic (Beta) including prestressed harmonic (using linear perturbation)

• Transitorio –Full Transient

Act Extension: Análisis de Campos Acoplados

Estructural-Térmico

Térmico-Piezoeléctrico

Piezoeléctrico

Estático Armónico –Full Harmonic Transitorio –Full Transient


Para recibir los datos térmicos desde un sistema acoplado hay que definir las condiciones térmicas con la opción “via System Coupling” para una o mas condiciones de frontera en los muros

• La selección de los datos térmicos (temperatura, flujo de calor) se define en el sistema de acoplamiento « system coupling»

• Cualquier condición de frontera puede enviar datos térmicos; no se necesita configurar nada en Fluent.

Tec-Tip:


Dentro de sistema de acoplamiento. Para acoplamiento estructural + térmico son creados cinco (5) datos de transferencia: • Fuerza • Desplazamiento • Temperatura • Coeficientes de transferencia de calor • Temperaturas cercanas a la pared (Near Wall

Temperature)

• La transferencia de datos térmicos puede ser cambiada a temperatura y flujo de calor

Téc-Tip

Los datos de transferencia térmica por defecto (Temperatura y HTC + Near Wall Temperature) son muy estables, pero pueden alentar la convergencia cuando la Temperatura Cercana a la Pared (Near Wall Temperature) es una pobre representación de la temperatura libre. Cambiando a un acoplamiento de Temperatura y Flujo de Calor puede acelerar la convergencia, pero pudiera requerir el uso de relajación.


•Resolver y monitorear en acoplamiento del sistema «System Coupling» • Convergencia para todos los datos transferidos se muestra

automáticamente. • Se pueden crear cartas adicionales para monitorear la suma de

los datos transferidos, mínimos, máximos y promedios

Convergencia de transferencia de datos para el ejemplo del inyector de

combustible

Cartas adicionales que han sido creadas en el sistema de

acoplamiento para monitorear datos de

cantidades transferidas – siguiente diapositiva


Suma de Fuerzas

Máximo Desplazamiento

Promedio de Temperaturas Nodales

Suma de Flujos de Calor


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Esfuerzos-Térmicos



FSI 2-way Workflow

• FSI Ejemplo

• Explícitos

2-way FSI Análisis Tuberia con un Fluido Multifasico

• Evaluación de un tubo sometido a las fluctuaciones de un flujo muti-fase interno y un flujo externo, con el objetivo de calcular la fatiga de altos ciclos estimada en el diseño.

• La simulación FSI permite una mejor predicción de los estados de esfuerzos ocasionados por las cargas ejercidas por el fluido además de las frecuencia de dichas cargas para varias condiciones de flujo

• Productos de ANSYS usados • CFX, Mechanical & nCode

• Aplicaciones /Industria

• Equipo de procesos, flujos con bacheo.

• Tuberías en industria nuclear

2-way FSI Piezoeléctrico para una boquilla de tinta de una impresora

• Simulación piezoeléctrica de una boquilla de tinta con el objetivo de capturar la formación de gotas en la cabeza de la boquilla. Un voltaje variable en el tiempo es aplicado a un cuerpo piezoeléctrico causando la expansión y contracción

• Productos de ANSYS usados • Fluent • Mechanical

(con elementos piezoeléctricos and estructurales)

• Aplicaciones / Industria • MEMS

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Esfuerzos-Térmicos



FSI 2-way Workflow

• FSI Ejemplos

• Explícitos

– La malla es fija en el espacio, el material fluye a través de caras de los elementos.

– Normalmente usados para modelar fluidos, gases

y solidos con grandes deformaciones. – Es un solver de multiples materiales con

«resistencia» • Material es trasportado de una celda a otra

celda. • Algoritmos determinan el estado de las celdas

que contiene múltiples materiales. • Mallas generales en 2D y 3D

– Fronteras de entrada y salida de flujo – Partes unidas – Puede hacerse un acoplamiento automático a

solver de dominio de Lagrange (ALE)

Introduccion

Ecuaciones de Estado Conservación de energía

Relaciones Constitutivas

Conservación de Momentum

Transporte

Momentum / Masa

Condiciones Iniciales

Nueva Masa en las Celdas, Momentum y Energía

Densidad en Celdas, Velocidad de Def.

Presión en Celdas, Energía Interna

Esfuerzos Desviatorios en Celdas

Impulso en Caras

Momentum en Caras

Velocidades de Caras

Fuerzas Externas (Fronteras)

Ciclo de Cálculo del Dominio de Euler

Blended cells

• Toda la superficie de la parte Lagrange automáticamente interactúa con el dominio de Euler

• El Dominio de Euler ejerce presiones sobre el cuerpo de Lagrange

– Las presiones del dominio de Euler son integradas sobre la superficie del cuerpo de Lagrange para obtener fuerzas nodales.

• El cuerpo de Lagrange actúa como una restricción para el dominio de Euler

– No se considera fricción entre las partes Lagrange y Euler

• Pueden existir celdas parcialmente mezcladas • Se púeden usar controles de erosión • Los espesores de Lagrange deben ser

mayores que el tamaño de malla de Euler para mejor funcionamiento de restricciones.

• El tamaño de los elementos de Lagrange debe ser mas grande que los elementos de Euler.

- 2:1 Relacion Recomendada

Acoplamiento Euler-Lagrange Téc-Tip:

• Contactos, erosión y el acoplamiento pueden ser usados simultáneamente en un análisis • Falla y fragmentación de componentes. • Ventilacion de fluidos / gases a través de los componentes fallados y fragmentados. • Combinación de cargas choque por ráfagas (blast) e impacto (fragmentos) de estructura.

• Mayores ventajas sobre otros programas

Contactos - Erosión y Acoplamiento

Tipos de Acoplamiento

• Rígido, totalmente restringido, cuerpos de Lagrange usados para inicialmente llenar las regiones de la malla de Euler con geometrías estacionarias.

– Las fracciones de caras y volúmenes cubiertos son calculados al inicio de un análisis solamente.

• Fracciones cubiertas no cambian durante el análisis. • Muy eficiente.

• Los cuerpos de Lagrange interactúan dinámicamente con la malla de Euler – Las fracciones de caras y volúmenes cubiertos son recalculadas cada

paso de tiempo. • Significativamente menos eficiente que el acoplamiento rígido. • Calculo de acoplamiento únicamente para el periodo de carga.

• Acoplamiento debil. Aplica el campo de presión del dominio de Euler sobre la parte de Lagrange como una condicione de frontera.

– Paso 1: Análisis de Euler • La estructura es representada usando un cuerpo de Lagrange. • Campo de Presión 3D es almacenado en una secuencia de archivos

de campo – Paso 2: Análisis de Lagrange

• La Presión de los archivos de campo son aplicadas a las caras externas del cuerpo de Lagrange.

Téc-Tip:

– El modelo se construye de forma normal en ANSYS, pero se tiene que definir un marco de referencia para cada cuerpo

• Lagrange (Default) • Euler (Virtual)

– Se debe definir un dominio virtual de Euler, la malla se genera automáticamente) para modelar el flujo de todos los cuerpos asignados a un dominio Euleriano.

• Se puede controlar en Analysis Settings – Los cuerpos con referencia Lagrange pueden ser

Rígidos o Flexibles • Acoplamiento rígido • Acoplamiento completo

Téc-Tip:

• Espesor Automático de acoplamiento • Automáticamente se usa la opción de

Euler sub-cycling.

• Ejecutar el proceso de formado de una plato (hidroformado) al hacer detonar una carga en un herramental con agua.

• La simulación (ALE) para representar el formado permite la predicción una mejor predicción de formado y los gradientes de esfuerzos ejercidos sobre la lamina base.

• Productos de ANSYS usados • ANSYS Autodyn


• Maquinaria y equipos, mecanizado.

Interacción Fluido – Estructura

Hidro-Formado por Explosivo

• Evaluar el efecto de carga sobre el cañón de un fusil al ejecutar un disparo, tomando en cuenta el desalojo del aire en el interior y la dispersión estimada a la salida.

• La simulación de interacción FSI permite evaluar el efecto de la presión del explosivo que impulsa el proyectil y también el efecto del aire contenido en el cañón al ser desalojado, obteniendo esfuerzos y deformaciones en la estructura.

• Productos de ANSYS usados • ANSYS Autodyn


• Militar y defensa • Equipo deportivo

Interacción Fluido – Estructura

Efecto de Disparo de una Arma

Pregunta

Agenda



Esfuerzos-Térmicos



FSI 2-way Workflow

• FSI Ejemplos

• Explícitos

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