Multifísica computacional: interacción fluido-estructura
Durante nuestro trabajo como investigadores en CARTIF, a menudo nos encontramos con la necesidad de modelar y resolver numéricamente (es decir, simular) sistemas cuyas respuestas se ven afectadas por la interacción, con distintos grados de acoplamiento, de varios fenómenos físicos de muy distinta naturaleza (p.ej. deformaciones estructurales, transmisión de calor, campos electromagnéticos, etc.). En estos casos, nos encontramos ante lo que se conoce como un problema de multifísica. A la novedosa disciplina que se encarga de su resolución se le denomina habitualmente multifísica computacional y plantea en la actualidad desafíos tanto desde el punto de vista computacional como teórico. Matemáticamente, los problemas de multifísica están definidos por un conjunto fuertemente acoplado de ecuaciones en derivadas parciales tanto en el tiempo como en el espacio, cuya resolución requiere del desarrollo de complejos algoritmos robustos capaces de enfrentarse a este tipo de interacciones de forma general y eficiente.
En el pasado, debido a las limitaciones de las capacidades computacionales, los efectos del acoplamiento entre los distintos campos físicos sólo podían ser tenidos en cuenta de forma muy aproximada, si es que no eran directamente ignorados. En la actualidad, gracias al avance en los medios informáticos y en la tecnología de software, tenemos la capacidad de resolver gran parte de estos problemas de forma precisa utilizando códigos comerciales de cálculo de uso general (p.ej. ANSYS o ABAQUS). La posibilidad de incluir en el cálculo los efectos del acoplamiento entre distintos campos físicos nos permite obtener resultados que nos proporcionan una mayor comprensión de las causas y consecuencias de los fenómenos naturales implicados. Por otro lado, y ya en términos puramente ingenieriles, el poder abordar los problemas desde una óptica más general nos permite realizar una estimación más realista del desempeño de cada uno de los diseños de un prototipo, obteniéndose productos finales mucho más económicos y seguros, los cuales pueden ajustarse mejor a las necesidades del cliente.
De entre todos los tipos de simulación multifísica, el más importante en ingeniería estructural es el de Interacción Fluido-Estructura (FSI, por sus siglas en inglés). Este tipo de análisis es el que más aplicaciones prácticas tiene a nivel industrial y es, por tanto, sobre el que más se ha trabajado, encontrándose actualmente en un estado de desarrollo más avanzado que el resto. FSI consiste básicamente en analizar la interacción que se produce entre un sólido deformable y el fluido (líquido o gas) en el que está inmerso (o bien que circula por dentro de él). Esta interacción ocurre cuando la presión que ejerce un fluido sobre una estructura provoca la deformación de ésta. Esta deformación a su vez modifica las condiciones de contorno del flujo fluido, viéndose modificadas las presiones que éste ejerce sobre la estructura, y así sucesivamente. En este caso, decimos que la estructura y el fluido están acoplados, por lo que no podemos analizar los subsistemas por separado (a no ser que el acoplamiento sea débil). FSI es ampliamente utilizada en muchos sectores industriales: automoción (despliegue del airbag), aeronáutico (flameo de las superficies de sustentación), biomecánico (aneurismas), energéticos (combustión en calderas), etc.
En la imagen se presenta uno de los sistemas estudiados consistente en la simulación multifísica de la abolladura de las virolas inferiores de depósitos cilíndricos abiertos sometidos a la acción sísmica, fenómeno conocido como “pata de elefante”.