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Theses Year : 2022

A new robust co-simulation approach for transient Fluid-Structure Interaction problems

Une nouvelle approche de co-simulation robuste pour les problèmes transitoires d'interaction fluide-structure

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Abstract

This work proposes a coupling method for transient fluid-structure interaction (FSI) problems, based on a monolithic formulation and solved by a co-simulation algorithm. The aim is to use existing solvers for fluid and solid simulations and ensure a conservative coupling, with quasi-optimal level of efficiency, robustness and accuracy. The coupled problem's monolithic formulation uses a Schur's dual approach, to ensure the normal velocities continuity at the interface. Then, the simulation algorithm is based on an extension of the GC method for FSI problems, to couple heterogeneous methods of discretization, integration scheme and time scales. The fluid sub-domain is discretized by finite volumes method and an explicit Runge-Kutta scheme. The solid sub-domain is discretized by finite elements method and an implicit Newmark scheme. Each sub-domain is driven by its own time scale. The proposed method is validated with academic test cases. Then, it is integrated into the coupling library preCICE in order to run FSI simulations using existing CFD and structural dynamics three-dimensional solvers. Thus, the FSI benchmarks of the forward step problem and perpendicular flap problem are solved using OpenFOAM and CalculiX.
Dans ce travail, nous proposons une méthode de couplage pour résoudre des problèmes transitoire d’interactions fluide-structure (FSI), basée sur une formulation monolithique et résolue par un algorithme de co-simulation. L’objectif principal étant de proposer une méthode conservative, mais aussi d’utiliser des solveurs existants pour la simulation des sous-domaines fluide et structure. La formulation monolithique du problème de couplage utilise une approche de Schur duale pour imposer la continuité des vitesses normales à l’interface. Puis, l’algorithme de simulation est basé sur l'extension de la méthode GC au problème FSI, afin de coupler des méthodes de discrétisation temporelles et spatiales hétérogènes ainsi que des échelles de temps différentes. Le sous-domaine structure est discrétisé par la méthode des éléments finis et un schéma d’intégration de Newmark implicite. Le sous-domaine fluide quant à lui, est discrétisé par la méthode des volumes finis centrés sur les cellules et un schéma d’intégration explicite de Runge-Kutta. Enfin, chaque sous-domaine est piloté par une échelle de temps qui lui est propre. La méthode proposée est validée sur un cas test académique. Puis elle est intégrée dans la librairie de couplage preCICE, afin de simuler des problèmes FSI en utilisant un solveur de dynamique des structures et un solveur de CFD existants. Ainsi, deux problèmes de référence, "forward step" et "perpendicular flap", sont résolus en utilisant les logiciels OpenFOAM et CalculiX.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03859464 , version 1 (18-11-2022)

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  • HAL Id : tel-03859464 , version 1

Cite

Marie Gibert. A new robust co-simulation approach for transient Fluid-Structure Interaction problems. Mechanics [physics.med-ph]. Université de Lyon, 2022. English. ⟨NNT : 2022LYSEI071⟩. ⟨tel-03859464⟩
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