Uno de los temas de interés entre los usuarios de COMSOL Multiphysics es su capacidad para modelar problemas de interacción fluido-estructura (conocidos en inglés por sus siglas FSI). Efectivamente COMSOL ofrece muchas posibilidades para modelar este tipo de problemas y varios de sus módulos posibilitan este tipo de análisis.

FSI es un acoplamiento multifísico entre las leyes que describen la dinámica de fluidos y la mecánica de estructuras. Este fenómeno se caracteriza por interacciones – que pueden ser estables u oscilatorias – entre una estructura móvil o deformable y un flujo de fluido interno o circundante.

Cuando un flujo de fluido se encuentra con una estructura se ejercen tensiones y deformaciones en el objeto sólido – fuerzas que pueden dar lugar a deformaciones. Estas deformaciones pueden ser bastante grandes o muy pequeñas, dependiendo de la presión y la velocidad del flujo y de las propiedades del material de la estructura real.

Si las deformaciones de la estructura son muy pequeñas y las variaciones con el tiempo son también relativamente pequeñas, el comportamiento del fluido no se verá muy afectado por la deformación y podeos preocuparnos únicamente de las tensiones resultantes en las partes sólidas. Sin embargo, si las variaciones temporales son rápidas, mayores que unos pocos ciclos por segundo, entonces incluso pequeñas deformaciones estructurales darán lugar a ondas de presión en el fluido. Estas ondas de presión dan lugar a radiación de sonido de estructuras vibrantes. Este tipo de problemas puede ser tratado como una interacción acústico-estructural, en lugar de FSI.

Sin embargo, si las deformaciones de la estructura son grandes, los campos de velocidad y de presión del fluido cambiarán como resultado, y necesitaremos tartar el problema como una análisis multifísico bidireccionalmente acoplado: Los campos de flujo de fluido de presión afectan a las deformaciones estructurales, y las deformaciones estructurales afectan al flujo y la presión.

Cuando se modela un problema FSI existen varias asunciones que se pueden realizar con el fin de simplificar la complejidad del modelado y reducir la carga computacional.
Tomamos como ejemplo un modelo completo FSI como el del flujo de fluido alrededor de un cilindro. Un patrón clásico de flujo es la calle de vórtices de von Kárman que se puede formar cuando el fluido fluye pasado un objeto. Estos vórtices pueden inducir vibraciones en el objeto. Este problema involucra una interacción fluido-estructura donde la gran deformación afecta al camino del flujo.

En diseño, se puede desear querer explotar o evitar efectos significativos de interacciones fluido-estructura.

Dispositivos como las bombas peristálticas, por ejemplo, explotan las deformaciones estructurales significativas para bombear suavemente sangre sin perjudicar a las células vivas. Estas bombas son una combinación de tubos flexibles y rodillos rígidos, y el diseñador tiene que preocuparse de las velocidades del fluido, los niveles de cizalladura en el fluido y las tensiones y deformaciones en los tubos.

Si le interesa el tema lea el artículo: “Fluid-Structure Interaction Analysis of a Peristaltic Pump”. El bombeo peristáltico es un problema multifísico inherentemente no lineal donde la deformación del tubo y el fluido bombeado están fuertemente acoplados. En el artículo los autores utilizaron COMSOL Multiphysics para investigar el rendimiento de una bomba peristáltica rotatoria de 180 grados con dos rodillos metálicos y una tubo elastomérico que bombea un fluido Newtoniano viscoso. El modelo captura el flujo peristáltico, las fluctuaciones de flujo que resultan cuando los rodillos engranan y desengranan el tubo, y la interacción de contacto entre los rodillos y el tubo. Utilizaron el modelo para investigar el efecto de las variaciones en el diseño de la bomba como la oclusión del tubo, el diámetro del tubo y la velocidad del rodillo, sobre la tasa de flujo, las fluctuaciones del flujo y el estado de tensión del tubo.

Por otro lado, los mezcladores industriales disponen de piezas móviles, pero los agitadores pueden considerarse esencialmente como piezas rígidas que agitan un fluido. Cuando se analizan estos sistemas, la eficiencia de mezclado es el valor más importante a calcular. Es posible calcular las tensiones en los agitadores, si le interesa al diseñador. Las estructuras sólidas pueden incluso ser tratadas como obstrucciones en el flujo de fluido completamente estacionarias , con el objeto de calcular las tensiones en los materiales sólidos.

Cuando se modelan estos sistemas se dispone de una serie de aproximaciones de modelado apropiadas. Puede ser necesario modelar tanto las ecuaciones de Navier-Stokes para el flujo fluido así como las ecuaciones de mecánica de sólidos de un cuerpo sólido. Las ecuaciones de Navier-Stokes pueden resolverse de varias formas para diferentes regímenes de flujo. Incluso puede ser posible simplificar el modelado del flujo como una película delgada para modelar películas lubricantes. Las estructuras se pueden tratar como rígidas, experimentando pequeñas deflexiones que son despreciables para el problema de flujo de fluido, o teniendo grandes deflexiones que afectan significativamente al flujo del fluido.

La elección apropiada de la combinación de aproximaciones de modelado para cada situación es la clave para resolver los problemas FSI.