Vloeistofstructuurinteractie

Vloeistofstructuurinteractie (FSI) is het onderzoeksgebied dat de wederzijdse invloed van een vloeistof en een structuur bestudeert. De vloeistof oefent krachten uit op de structuur, terwijl de structuur door zijn vervorming de stroming en de drukverdeling in de vloeistof weer beïnvloedt. Dit samenspel is vooral relevant wanneer de vloeistofsnede en de bewegelijkheid van de structuur elkaar raken, zoals bij vliegwindsystemen, bloedvaten of bruggen.

De wiskundige modellering van FSI combineert fluidendynamica en structurele mechanica. Het vloeistofveld wordt beschreven door de Navier–Stokes-vergelijkingen (meestal voor een onontlastbaar of compressibel vloeistof), terwijl de structuur wordt gemodelleerd met elastische of visco-elastische baten. Op het vloeistof-structuurgrens geldt een koppeling: de kinematische voorwaarde vereist dat de vloeistof en de structuur dezelfde snelheid of verschuiving aan die interface delen, en de dynamische voorwaarde vereist continuïteit van de traction (druk- en schokbelasting). Deze interfacekoppeling kan sterk, zwak of tijd afhankelijk zijn en bepaalt of de coupling één- of tweeweg is.

Numerieke benaderingen voor FSI variëren tussen monolithische en partitionele aanpakken. Monolithische benaderingen lossen vloeistof en structuur in één systeem op; partitionele methoden scheiden de solvers maar communiceren via de interface. Veelvoorkomende numerieke technieken zijn onder meer de foutloze afronding bij bewegende grenzen via de ALE-methode, en FEM- of FVM-methoden voor discretisatie. Problemen in FSI omvatten flutter, vortex-induced vibrations, turbulente effecten en grote deformaties, wat gerichte modellering en stabiliteitsbewaking vereist.

Toepassingen bestrijken onder meer aeroelasticiteit van vliegtuigen, bloedflow in slagaderen en hartkleppen, offshore constructies en windturbinebladen. Naïeve simulaties worden vaak gevalideerd aan experimenten om betrouwbaarheid te waarborgen.