Introduzione
1.1 Interazione fluido-struttura
Per interazione Fluido-Struttura (FSI - Fluid Structure Interaction) si intende la situazione in cui un fluido esercita un’azione su di un corpo solido, provocandone una certa deformazione.
Tale deformazione subita, influenza a sua volta il fluido, perturbandone le condizioni iniziali. Dopo un opportuno transiente temporale, si ottiene una configurazione finale in cui sia il corpo solido che il campo fluidodinamico risultano modificati, ottenendo così un sistema equilibrato.
La pressione, la temperatura ed il flusso di calore degli elementi possono influenzare simultaneamente il sistema, rendendo estremamente complicata l’analisi ed il relativo equilibrio finale.
Al fine di semplificare l’analisi è possibile disaccoppiare i problemi analizzando la fluidodinamica del sistema ipotizzando il corpo rigido come indeformabile. I risultati ottenuti, vengono poi trasferiti sul corpo per la verifica strutturale provvedendo ad irrigidire e ad irrobustire la struttura, in modo da rispettare i vincoli di resistenza e di deformabilità.
Esistono però alcune applicazioni per le quali l'interazione fra fluido e struttura non può essere trascurata. Ad esempio, quando la deformazione è la chiave di funzionamento del componente stesso (come le valvole automatiche a lamella in fig.1.1), o quando non ci si può permettere di appesantire la struttura e risulta quindi necessario far collimare le deformazioni sotto carico con le prestazioni desiderate. Questo è ciò che avviene nel campo aeronautico, dove lo studio del problema aeroelastico, tra le forze aerodinamiche e quelle elastomeccaniche strutturali, ricopre un ruolo fondamentale nella progettazione delle strutture. Una caratteristica consueta del processo di ottimizzazione dei pesi è l’elevata deformabilità strutturale.
La Formula 1 e la competizione di Coppa America sono ulteriori casi in cui una modellazione accurata del fenomeno aeroelastico può permettere di avvantaggiarsi delle deformazioni, in modo da migliorare le prestazioni del mezzo. Un famoso caso è stato quello dell’alettone della Ferrari, capace di garantire grandi forze deportanti a basse velocità, ed una ridotta resistenza alle alte, subendo una deformazione a causa di un forte aumento delle sollecitazioni verticali. Questo sistema ha permesso di avere una buona aderenza in curva ed un’alta velocità sui rettilinei.
Figura 1.1 - Analisi fluido-struttura pacco lamellare per motore due tempi-
Altri campi di applicazione dell' interazione fluido - struttura possono essere:
Fluido in movimento all' interno di un serbatoio
Gonfiaggio di un airbag
Acquaplaning dei pneumatici
Applicazioni biomediche
Spesso le analisi strutturali e quelle fluidodinamiche vengono svolte da programmi differenti e quindi la zona di interfaccia tra fluido e struttura è addetta allo scambio delle informazioni. Inoltre, quando si modifica la geometria del corpo rigido, diventa necessario modificare anche la geometria dell’interfaccia stessa. Risulta quindi palese che l’interfaccia è un punto delicato di questo accoppiamento, capace di inficiare il risultato dell’intera analisi.
Per risolvere il problema di accoppiamento, fino a pochi anni fa, risultava necessario ricorrere a pesanti approssimazioni come ad esempio assumere la posizione dell'interfaccia come fissa o il fluido come non viscoso. Grazie allo sviluppo di processori più potenti e di software commerciali, ad elevate prestazioni, è stato possibile adottare metodi numerici più raffinati, come l'uso delle equazioni di Navier - Stokes mediate secondo Reynolds (RANS) aumentando l’accuratezza del risultato.
1.2 Il problema aeroelastico
Come già accennato, il problema aeroelastico si riscontra laddove si vuole studiare l’interazione di un corpo deformabile immerso in un fluido in moto di cui non si conosce la configurazione finale di equilibrio di tipo statico o dinamico. Per effettuare questa analisi si ipotizza il corpo in equilibrio dinamico con il fluido nella configurazione geometrica iniziale, soggetto a carichi fluidodinamici, inerziali e a sforzi interni. Tale equilibrio definisce una deformazione del sistema che perturba il campo fluidodinamico, determinando una variazione dei carichi aerodinamici sulla struttura. Di conseguenza, la stessa acquisisce una nuova geometria, definita dal nuovo equilibrio dinamico tra i carichi esterni e gli sforzi interni.
Si viene così a creare un sistema ad anello chiuso di interazione tra il sistema fluidodinamico e quello strutturale.
I fenomeni aeroelastici possono essere di natura statica o di natura dinamica: nel primo caso, le velocità di deformazione delle strutture interessate sono relativamente lente e tali da poter trascurare gli effetti delle forze d’inerzia;
Figura 1.3 – Loop Aeroelastico-
nel secondo caso, caratterizzato generalmente da fenomeni vibratori, con frequenze anche elevate, le forze d'inerzia della struttura assumono importanza determinante.
1.3 Obiettivi della tesi
Il presente lavoro di tesi si pone come obiettivo la realizzazione di una procedura che permetta lo scambio di informazioni tra un software di simulazione fluidodinamica e uno di simulazione strutturale.
Il campo di applicazione è costituito dalle situazioni di interazione tra il fluido e la struttura che si verificano su un catamarano di classe AC45, ideato per l'allenamento degli equipaggi che partecipano alla prossima competizione di Coppa America.
Nell'ambito degli studi di ottimizzazione delle prestazioni del catamarano, viene ideata una procedura iterativa che, applicata alle appendici sia aerodinamiche che idrodinamiche, sia capace di ricavare la portanza in configurazione deformata.
Un tale strumento di lavoro potrà servire in fase di affinamento del progetto del catamarano di classe superiore, a controllare le deformazioni della superficie portante principale di questo tipo di imbarcazioni.
Vi è motivo di ritenere infatti che tale capacità di controllo costituisca un elemento chiave per garantire le massime prestazioni.
I software utilizzati sono STAR-CCM+, per quanto riguarda la soluzione del problema fluidodinamico, MSC Nastran e MSC Patran, per l'analisi strutturale.
