Um modelo numérico para a análise de problemas de interação fluido-estrutura envolvendo escoamentos de superfície livre - Tonin, Mateus Guimarães (2022)
O presente trabalho tem por objetivo desenvolver ferramentas numéricas para a resolução de problemas de Interação Fluido-Estrutura (IFE) envolvendo corpos flutuantes sujeitos à ação de escoamentos multifásicos com superfície livre, onde a estrutura pode ou não estar ancorada através de cabos de amarração. Para o tratamento numérico de fluidos em escoamento incompressível, as equações de Navier-Stokes e da continuidade são discretizadas empregando-se uma versão semi-implícita do método CBS (Characteristic-Based Split) no contexto do Método dos Elementos Finitos, onde elementos tetraédricos lineares são utilizados. A turbulência é analisada através da Simulação de Grandes Escalas (LES – Large Eddy Simulation), utilizando os modelos sub-malha clássico e dinâmico de Smagorinsky, e para o tratamento de escoamentos multifásicos com superfície livre, utiliza-se o método Level Set. Na presença de estruturas móveis, as equações do escoamento são descritas através de uma formulação arbitrária lagrangiana-euleriana (ALE) e um esquema numérico de movimento de malha é adotado. A estrutura é tratada através de uma abordagem de corpo rígido tridimensional e o cabo de amarração através de um modelo elástico com não linearidade geométrica e discretização pelo Método de Elementos Finitos Posicional (NPFEM – Nodal Position Finite Element Method). O sistema de equações de movimento pode ser discretizado temporalmente através dos métodos implícitos de Newmark e a-Generalizado ou através dos métodos explícitos de Euler e Runge-Kutta. Para problemas de IFE, um esquema particionado de acoplamento forte é utilizado levando-se em conta os acoplamentos fluidoestrutura e cabo-estrutura. Os algoritmos que compõem o código numérico são primeiramente verificados usando-se problemas clássicos da Dinâmica de Fluidos Computacional e de IFE, além de aplicações envolvendo a análise dinâmica de cabos. Finalmente, problemas envolvendo corpos flutuantes com e sem ancoragem são simulados para demonstrar a aplicabilidade e a precisão do modelo numérico proposto.