Characterization of Fluid Structure Interaction mechanisms and its application to vibroacoustic phenomena

Abstract

[ES] La Interacción Fluido Estructura consiste en un problema físico en el que dos materiales, gobernados por conjuntos de ecuaciones distintas, se acoplan de diferentes formas. La investigación en el campo de la Interacción Fluido Esructura experimentó un importante desarrollo desde principios del siglo XX, de la mano del campo de la aeroelasticdad. Durante el desarrollo de la industria aeroespacial en el contexto de las guerras mundiales, el uso de materiales más ligeros (y flexibles) comenzó a hacerse obligatorio para la obtención de aeronaves con un comportamiento (y costes) aceptable. A lo largo de los últimos años, el uso de materiales de construcción cada vez más ligeros, se ha extendido al resto de campos de la industria. A modo de ejemplo, podría servir el desarrollo de trackers en la producción de energia solar; la utilización de materiales ligeros en ingeniería civil o el desarrollo de elementos constructivos de plástico en la industria del automóvil. Como consecuencia, la predicción con exactitud de las deformaciones inducidas por un fluido y, si aplica, la influencia de estas deformaciones en el propio flujo, ha adquirido una importancia vital. Este documento intenta porporcionar, en primer lugar, una profunda revisión de los métodos experimentales y computacionales que se han utilizado en este contexto en la bibliografía, así como los análisis en problemas de este tipo realizados por otros investigadores de cara a presentar una primera aproximación a la Interacción Fluido Estructura. Se verá cómo existe una importante cantidad de herramientas y metodologías aplicables a cualquier tipo de problema y para cualquier combinación de flujos y estructuras. Sin embargo, no existe una aproximación general que, en función de valores de números adimensionales, permita establecer cuáles de ellos son los de mayor importancia en este tipo de problemas. En este sentido, se llevará a cabo un completo análisis paramétrico durante el desarrollo del Capítulo 2 para establecer cuáles de ellos son de mayor importancia. Una vez se establezca la importancia de estos parámetros, se analizará un caso que es de especial interés en la industria: la aerovibroacústica. Éste es un caso particular de Interacción Fluido Estructura en el que, debido a la combinación de parámetros adimensionales, la interacción se puede considerar como prácticamente unidireccional, permitiendo extender estudios mediante un conste computacional relativamente acotado. La Aerovibroacústica y la vibroacústica se analizarán mediante la presentación de dos casos de referencia, permitiendo proponer una metodología que se podrá extender a otros problemas similares.

[CA] La Interacció Fluid Estructura consisteix en un problema físic en què dos materials, governats per conjunts d'equacions diferents, s'acoblen de diferents formes. La investigació en el camp de la Interacció Fluid Esructura va experimentar un important desenvolupament des de principis del segle XX, de la mà del camp de la aeroelasticdad. Durant el desenvolupament de la indústria aeroespacial en el context de les guerres mundials, l'ús de materials més lleugers (i flexibles) va començar a fer-se obligatori per a l'obtenció d'aeronaus amb un comportament (i costos) acceptable. Al llarg dels últims anys, l'ús de materials de construcció cada vegada més lleugers, s'ha estès a la resta de camps de la indústria. A tall d'exemple, podria servir el desenvolupament de textit trackers en la producció d'energia solar; la utilització de materials lleugers en enginyeria civil, el desenvolupament d'elements constructius de plàstic a la indústria de l'automòbil. Com a conseqüència, la predicció amb exactitud de les deformacions induïdes per un fluid i, si escau, la influència d'aquestes deformacions en el propi flux, ha adquirit una importància vital. Aquest document intenta porporcionar, en primer lloc, una profunda revisió dels mètodes experimentals i computacionals que s'han utilitzat en aquest context en la bibliografia, així com les anàlisis en problemes d'aquest tipus realitzats per altres investigadors de cara a presentar una primera aproximació a la Interacció Fluid Estructura. Es veurà com, encara que existeix una important quantitat d'eines i metodologies aplicables a qualsevol tipus de problema i per a qualsevol combinació de fluxos i estructures, no hi ha una aproximació general que, en funció de valors de nombres adimensionals, permeti establir quins d'ells són els de major importància en aquest tipus de problemes. En aquest sentit, es durà a terme una completa anàlisi paramètric durant el desenvolupament del Capítol 2 per a establir quins d'ells són de major importància. Un cop s'estableixi la importància d'aquests paràmetres, s'analitzarà un cas que és d'especial interès en la indústria: la aerovibroacústica. Això és un cas particular d'Interacció Fluid Estructura en què, a causa de la combinació de paràmetres adimensionals, la interacció es pot considerar com pràcticament unidireccional, permetent estendre estudis mitjançant un consti computacional relativament acotat. La Aerovibroacústica i la vibroacústica s'analitzaran mitjançant la presentació de dos casos de referència, permetent proposar una metodologia que es podrà estendre a altres problemes similars.

[EN] Fluid Structure Interaction is a physical problem where two different materials, governed by different set of fundamental equation, are coupled on different ways. The research on the field of Fluid Structure Interaction experienced a noticeable growth since the beginnings of the XXth century, by means of the field of aeroelasticity. During the development of the aerospace industry in the context of first and second Wolrd War, as the use of lighter (and softer) materials became mandatory for the correct behavior (and cost savings) of the produced aircrafts. During these past years, the use of use of increasingly lighter construction materials has extended to the rest of fields of the industry. As an example, it could be mentioned the use of solar trackers on the solar energy sector; the use of light materials on civil engineering or the use of plastic for some constructive elements in the context of the automotive field. As a consequence, the accurate prediction of the deformations induced to a fluid flow over a structure and, if needed, the influence of this deformation on the fluid flow itself is becoming of primal importance. This document intends to provide with a deep review of the computational and experimental reported methodologies already available on the literature and the previous works performed by other researches in order to infer a first approximation to the Fluid Structure Interaction Problem. It will be observed how an important amount of solving methodologies is available in order to face these problems regarding with the strength of the interaction. However, a general approximation allowing to predict this strength as a function of a set of dimensional number is rarely known. In this sense, a full parametric study will be performed during the development of Chapter 2 showing which of them are of higher importance. Once the influence of these parameters is determined, a case of special interest will be analyzed: aerovibroacoustics. This, is a particular case of Fluid Structure Interaction where, due to the combination of its nondimensional parameters, one directional coupling can be supposed for most of the cases. Aerovibroacoustics and vibroacoustics will be analyzed by means of two reference cases, allowing finally to propose a methodology which could be extended for other related problems.