Efficient Fluid Structure Interaction Analysis in the Conceptual Design Phase: Industrially Proven and Validated Unique Methodology based on Aerospace Concepts

This thesis presents the study of these type of phenomena for several applications. The presented applications range from investigations of the cause of failure of ventilation fans to the study of the dynamics of high pressure hydraulic hoses. In all case, results are presented from studies where the analysis is either compared with experimental behavior, or where the results are used as guidance for design changes followed by tests of the updated design showing dramatic improvement of the dynamic behavior. The purpose of presenting the application case studies is to give the reader an insight into how the tools can be used and the type of phenomena that appear for these fluid-elastic systems. It is clearly illustrated that fluid-elastic systems need to be analyzed through the entire function envelop of the system and not only at specific conditions. The reason for this is that unwanted instability conditions may appear anywhere in the envelop. To be able to scan the envelop much more efficient tools are needed than the ones provided through coupling of ALE-CFD and FEM software. By reading this thesis, the analyst gets an eye opener and a first step into an interesting field of engineering that is fairly unexplored outside the aeronautical community.

Flygplan bryts sönder i luften, fläktar exploderar, rör och slangar med inre och/eller yttre axialt flöde börjar vibrera med sprickor och haverier som följd. Dessa fenomen är alla exempel på problem som beror av aeroelastisk eller mer generellt fluid-elastisk instabilitet och respons. Syftet med denna avhandling är att påvisa de möjligheter som öppnar sig när en frekvensrumsbetraktelse används vid studier av system i vilka fluid-strukturinteraktions (FSI) fenomen har en signifikant inverkan på beteendet. En metodik och programvara för dessa typer av problemställningar har utvecklats under första delen av forskningen bakom denna avhandling. Metodik för aeroelastiska beräkningar började utvecklas för flygplan under tiden före och efter andra världskriget. Denna ursprungliga metodik har generaliserats under forskningen bakom detta arbete, för att möjliggöra användandet av samma tankesätt vid studier av i stort sätt vilket som helst FSI relaterat problem.

Avhandlingen presenterar studier av FSI relaterade typer av fenomen för ett antal industriella applikationer där den generaliserade metodiken har använts. De applikationsstuider som presenteras är haveriutredningar av en ventilationsfläkt, en fordons-kylfläkt och en hydraulisk dieselmotormomentomvandlare. Dessutom illustreras metodens förmåga att karakterisera hydraulikslangs-dynamik. För de fall som presenteras så har beräkningsresultaten antingen validerats mot experiment, eller så har resultaten från beräkningarna använts som beslutsunderlag för att uppdatera en konstruktion med lyckat resultat. De presenterade exemplen illustrerar tydligt att man måste studera hela system-envelopen, inte bara enstaka tillstånd, för att inte överraskande haverier ska uppstå. Orsaken till detta är att instabilitetsproblem kan uppstå var som helst i envelopen. För att effektivt kunna söka igenom envelopen så behövs andra metoder/verktyg än de ALE-CFD/FEM program som finns att tillgängliga på marknaden sedan något decennium tillbaka. Kännedomen om FSI instabilitets fenomen och metoder för att effektivt studera dessa problem är begränsad, vilket med största sannolikhet beror på att ingenjörer i allmänhet är enkeldisciplinära.

Slutligen är tanken att ingenjörer/forskare som läser denna avhandling ska få en ögonöppnare och ta ett första steg in i en ingenjörsdisciplin som är relativt outforskad utanför flygtekniken. Med den utvecklade metoden som stöd kan man i nya utvecklingsprojekt effektivt minimera risken för att FSI inducerade vibrationer påverkar konstruktionen negativt.