ارزیابی روشهای کوپلینگ یک طرفه و دوطرفه برای تحلیل عددی برهم کنشهای سیال - سازه

برهم کنش بین سیالات و جامدات پدیده ای است که اغلب می توان آن را در طبیعت مشاهده کرد؛ برای مثال، تغییر شکل درختان یا حرکت تپه های شنی ناشی از باد تقریبا به همین شیوه. باد می تواند با ساختمان ها برهم کنش داشته باشد، که گاهی اوقات پیامدهای چشمگیری دارد. مانند فروریختن پل تاکوما ناروز در نوامبر سال ۱۹۴۰. این فرایندها تنها با استفاده از قوانین و معادلات رشته های فیزیکی مختلف قابل محاسبه هستند. مثالهایی از این دست که زیر مسئله های حاصله نمی توانند به طور مستقل حل شوند. کاربردهای چند فیزیکی نامیده می شوند. یکی از دسته های بسیار مهم این مسائل چند فیزیکی برهم کنشهای سیال-سازه (FSI) است که با این واقعیت مشخص می شود که جریان اطراف یک جسم تاثیر زیادی بر سازه دارد، و بالعکس؛ تغییر شکل سازه تاثیر قابل توجهی بر جریان می گذارد. دو رشته علمی درگیر در این گونه مسائل چند فیزیکی، دینامیک سیالات و دینامیک سازه ها هستند که هر دو را می توان با روابط مکانیک محیطهای پیوسته توصیف کرد. در همین راستا، FSI زیر مجموعه ای از کاربردهای چند فیزیکی است و توسط زیئنکیویچ و تیلور به خوبی تعریف شده است. سیستم ها و فرمول بندی های کوپل به آن دسته از سیستم ها و فرمول بندی هایی اطلاق می شود که در دامنه های متعدد و متغیرهای وابسته کاربرد دارند؛ متغیرهایی که معمولا پدیده های فیزیکی متفاوتی را توصیف می کنند و در آنها هیچ دامنه ای را نمی توان مستقل از دیگری حل کرد و هیچ مجموعه ای از متغیرهای وابسته را نمی توان به صراحت در سطح معادله دیفرانسیل حذف کرد. استراتژیهای حل برای شبیه سازیهای FSI برهم کنش سیال-سازه عمدتا به دو دسته ی روشهای یکپارچه (monolithic) و روشهای تفکیکی (partitioned) تقسیم می شوند. در حل یکپارچه معادلات سازه - سیال در یک ماتریس بطور همزمان حل می شوند. در واقع در این در، روش معادلات در کنار یکدیگر قرار می گیرند. در روش تفکیکی معادلات هر کدام از بخش های سیال و جامد به صورت جداگانه حل شده و نتایج حاصل از این حل در اختیار حل گر دیگر قرار می گیرد. لذا حل مجزا نیز خود به دو دسته ی اصلی تقسیم بندی خواهد شد. در دسته اول هم اثر سیال بر سازه مهم است و هم اثر سازه بر سیال که اصطلاحا به آنها کوپلینگ دو طرفه (Two-way coupling) گفته می شود. در دسته دوم حل گرها فقط اثر سیال بر سازه یا برعکس مهم است و حل گرهای این دسته به کوپلینگ یک طرفه (One-way coupling) مشهور هستند. این مقاله تنها بر روشهای تفکیکی تمرکز خواهد کرد.

کلیدواژه ها:

برهمکنش سازه - سیال ، کوپل یکطرفه ، کوپل ، دوطرفه ، مکانیک محیطهای پیوسته ، مسائل چند فیزیکه