Interakcija fluida in strukture (FSI) je pomembno področje v simulacijah, kjer se hkrati upošteva vpliv tekočine na trdne materiale in obratno. Pojavi se na platformi 3DEXPERIENCE, v okolju SIMULI-e.Takšne analize so ključne pri razumevanju pojavov, kot so udarci valov na strukture, pretok krvi skozi žile ali zračni tok okoli deformirajočih se površin.
Za reševanje teh kompleksnih problemov se uporabljata različna numerična pristopa, SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) in CEL (Coupled Eulerian-Lagrangian) metoda. Obe metodi omogočata simulacijo tekočin in njihovih interakcij s trdnimi telesi, vendar na nekoliko drugačen način. V nadaljevanju bomo primerjali njune glavne značilnosti, prednosti in primere uporabe, da bi bolje razumeli, katera metoda je bolj primerna za določen inženirski izziv.
Smoothed Particle Hydrodynamics
Smoothed Particle Hydrodynamics ali SPH je metoda, uporabljena za simuliranje interakcij fluida in strukture v kontinuumu. Temelji na meshfree metodi v Lagrangevem sistemu, kar pomeni, da povezave med vozlišči niso potrebne, temveč mreže temeljijo na medsebojnem delovanju posameznih vozlišč z njihovimi sosedi.
Vir: Wikipedia, Meshfree methods
Posledično prvotne ekstenzivne veličine, kot sta masa ali kinetična energija, niso več vezane na mrežne elemente, temveč se dodelijo posameznim vozliščem. Odsotnost mreže pri metodi SPH bistveno poenostavi implementacijo modela in njegovo paralelizacijo, tudi na arhitekturah z velikim številom jeder. Metoda SPH se zlahka razširi na različna fizikalna področja in se lahko učinkovito kombinira z drugimi modeli, kot je predstavljeno v poglavju o modeliranju fizike.
Vir: Research Gate, The concept of Smoothed Particle Hydrodynamics
Izračunska zahtevnost SPH simulacij glede na število delcev je bistveno manjša kot pri mrežnih metodah glede na število celic, kadar nas zanima gostota fluida oziroma porazdelitev njenih nihanj.
Omejitve metode
- Določanje robnih pogojev pri metodi SPH, kot so vstopne in izstopne površine ter stene, je zahtevnejše kot pri mrežnih metodah (delci se v bližini robov s časom spreminjajo, kar dodatno otežuje njihovo stabilno obravnavo)
- Računska zahtevnost SPH simulacij glede na število delcev je bistveno večja kot pri mrežnih metodah glede na število celic, kadar merimo količine, ki niso neposredno povezane z gostoto (kinetična energija) – nižja učinkovitost pri primerih kot so zunanja aerodinamika (konstanta gostota)
Uporaba v dinamiki fluidov
SPH se vse pogosteje uporablja tudi za modeliranje gibanja tekočin, predvsem zaradi več prednosti v primerjavi s klasičnimi mrežnimi tehnikami. Prva prednost je, da SPH samodejno ohranja maso brez dodatnih izračunov, saj posamezni delci neposredno predstavljajo maso. Druga je, da SPH izračunava tlak na podlagi uteženih prispevkov sosednjih delcev, namesto da bi reševal linearne sisteme enačb. Poleg tega SPH omogoča samodejno tvorbo prostih površin med fazama tekočine in plina (npr. voda–zrak), saj delci predstavljajo gostejšo fazo, praznina med njimi pa redkejšo. Zaradi teh lastnosti je simulacijo gibanja tekočine mogoče izvajati tudi v realnem času, kljub potrebi po dodatni obdelavi za generiranje površiske geometrije (uporaba tehnik kot so metaballs, carpet visualisation, point splatting).
Vir: UK Fluids Network
Coupled Eulerian and Lagrangian načini mreženja
Za opis kontinuuma obstajata dve osnovni metodi: Lagrangeova in Eulerjeva. Lagrangeov pristop je praviloma primeren za opisovanje trdnih materialov. V tej metodi končnih elementov se mreža giblje in deformira skupaj z materialom. Prednost tega pristopa je v hitrem računanju in dobri ločljivosti materialnih vmesnikov. Glavna slabost pa je omejena zmožnost obravnave velikih deformacij, zato je metoda primernejša za primere z manjšimi deformacijami, kjer so pomembni vplivi stičnih površin ali prostih robov.
Pri Eulerjevi metodi pa je numerična mreža fiksna v prostoru, material pa teče skozi njo. Ker se mreža ne premika, pri velikih deformacijah ali tokovih ne pride do popačenja mreže. Ta pristop je posebej primeren za opisovanje obnašanja tekočin in plinov. Slabost Eulerjevega pristopa je zahtevno in pogosto nezadostno sledenje mejam med različnimi materiali. Poleg tega je še vedno težko vključiti kompleksne konstitutivne modele v Eulerjeve simulacije, na primer za materiale, kot je beton pri udarnih ali eksplozijskih obremenitvah.
Vir: Science Direct, CEL
Za združevanje prednosti obeh pristopov je bila razvita sklopljena Lagrange-Eulerjeva metoda (CLE). Ta omogoča učinkovito modeliranje interakcije med fluidi in strukturami ter velikih deformacij. V tej metodi se Lagrangeovi elementi uporabljajo za trdne materiale, Eulerjeva mreža pa za tekočine in pline, kjer prihaja do velikih deformacij. CLE metoda temelji na posebni strategiji: Lagrangeovi elementi podajajo robne pogoje pomika (geometrijske omejitve) Eulerjevi mreži, ta pa nanje deluje z robnimi pogoji tlaka. Lagrangeova in Eulerjeva mreža ne potrebujeta skupnih robov ali vozlišč, kar omogoča večjo prilagodljivost pri modeliranju.
Obe metodi, SPH in CEL, predstavljata zmogljiva orodja za simulacijo interakcij med tekočinami in trdnimi telesi, vsaka s svojimi prednostmi in omejitvami. Izbira prave metode je odvisna od narave problema – CEL je primeren za večje deformacije in natančno modeliranje kontaktov, SPH pa izstopa pri kompleksnih tokovih in prostih površinah brez potrebe po mreži. Pravilna uporaba teh pristopov omogoča boljše razumevanje fizikalnih pojavov in zanesljivejše inženirske rešitve.
Za več informacij o uporabi teh orodij se obrnite na IB-Caddy, preko elektronske pošte (info@ib-caddy.com) ali pa prek telefona (01 566 12 55).