Lectura de Tesi Doctoral d'Alireza Naseri

Avís lectura tesi doctoral

Doctorand: ALIREZA NASERI
Títol: Developing numerical methods for fully-coupled nonlinear fluid-structure interaction problems
Director: Carlos David Pérez Segarra
Departament: Màquines i Motors Tèrmics
Lloc: Sala de Conferències del TR1 - Campus TERRASSA
Data: 22 de juliol de 2019 - Hora: 11:45

RESUM

Esta tesis está dedicada al desarrollo de métodos numéricos para resolver problemas de interacción de fluido-estructura (FSI). Esta fenomenología aparece en una amplia gama de sistemas físicos y aplicaciones en ingeniería. El trabajo se centra en los métodos de partición, principalmente debido a sus características de modularidad, robustez y fiabilidad. En estos métodos se utilizan solvers distintos para los dominios de fluido y estructura, siendo esencial la técnica de acoplamiento para tener en cuenta su interacción mutua. Además, la tesis se centra en los problemas del FSI con un fuerte efecto de “masa agregada”, que son más complejos de resolver numéricamente. Normalmente se usa un método de partición implícito que impone las condiciones de acoplamiento en la interfaz a través de iteraciones entre los solucionadores de fluido y de estructura. Sin embargo, estos métodos son computacionalmente costosos. 

En esta tesis seguimos un enfoque semi-implícito que permite métodos numéricos estables, eficientes y precisos, en donde el término de presión del fluido está segregado y fuertemente acoplado a la estructura a través de iteraciones de acoplamiento. Sin embargo, los términos fluidos restantes y las no linealidades geométricas se tratan explícitamente. El fuerte acoplamiento del término de presión del fluido proporciona la estabilidad del método en problemas de FSI con un fuerte efecto de masa agregada, mientras que el acoplamiento de los términos restantes reduce el coste computacional.

La tesis se divide en tres partes principales. En la primera se desarrolla un método de acoplamiento semi-implícito eficiente y robusto para problemas con un fuerte efecto de masa agregada. El método propuesto es simple y modular. Se llevó a cabo un extenso conjunto de pruebas numéricas. Los resultados se compararon con datos de la literatura (numéricos y experimentales), así como con resultados propios obtenidos mediante el uso métodos de acoplamiento totalmente implícitos. Las pruebas realizadas mostraron que el método propuesto reduce considerablemente el coste computacional de las simulaciones sin degradar su estabilidad y precisión. Además, se ha analizado más a fondo los métodos semi-implícitos con el fin de obtener una mejor comprensión de varias cuestiones no abordadas en relación con algunos aspectos de estos métodos.

La segunda parte de esta tesis se centra en la precisión temporal de los métodos de acoplamiento semi-implícitos para problemas de FSI. La mayoría de los métodos semi-implícitos propuestos se basan en el uso de técnicas de proyección para las ecuaciones del fluido, con aproximaciones de primer orden temporal, no siendo sencilla su extensión a alto orden. Además, los métodos de malla-conforme requieren la resolución ALE de las ecuaciones de Navier-Stokes en mallas en movimiento, lo que no necesariamente conserva el orden de precisión del método en una cuadrícula fija. Si la técnica de acoplamiento FSI no está diseñada adecuadamente, no se puede garantizar la precisión de segundo orden para el problema acoplado, aunque cada sub-problema posea tal precisión. En este trabajo se propone un método semi-implícito de segundo orden temporal para este tipo de problemas, y se demuestra dicha precisión a través de rigurosas pruebas numéricas.

La última parte de esta tesis se refiere a la eficiencia computacional y la escalabilidad paralela de los métodos desarrollados para la solución numérica de problemas complejos de FSI en supercomputadoras masivamente paralelas. Se presenta un marco paralelo escalable para la solución particionada a través del acoplamiento de múltiples códigos. Se utilizan dos instancias de nuestro software interno para resolver los sub-problemas de fluidos y estructurales. La comunicación entre los solucionadores de física simple se realiza mediante una biblioteca de acoplamiento externa. La eficiencia paralela y la escalabilidad del marco acoplado se demuestran en la resolución de casos prácticos de FSI.