Towards the virtual wind tunnel for civil engineering applications

Abstract

This thesis develops a numerical tool (the Virtual Wind Tunnel, VWT) for the resolution of problems involving fluid flow around structures. Due to the limitations that traditional methods may have in this context, the VWT is based on the use of fixed mesh technologies (CutFEM-type) combined with an implicit representation of the embedded bodies.

One of the main contributions of the thesis is the use of such fixed mesh methods to solve lightweight thin-walled structures problems. Hence, two embedded formulations capable of representing the flow around bodies with and without internal volume are proposed. The first one results in a simpler implementation and lower computational effort but can only represent a slip behavior of the wall. The second one gets rid of such limitation by including a Nitsche imposition of the Navier-slip condition, thus allowing modelling any wall behavior as a wall law would do.

The applicability range of the VWT includes the fluid–structure interaction problem (FSI). To that purpose an improvement for the boundary condition imposition of the FM-ALE algorithm mesh motion problem is also proposed. Moreover, the implementation, which has been conceived to be easily extended to any other coupled problem, is also treated.

The validation of the technologies within the VWT includes multiple theoretical test cases as well as feasible industrial applications. Among these, the FSI analysis of a 4-point tent during a strong wind episode deserves to be highlighted as it showcases the achievement of the initial objective of the thesis.

En esta tesis se desarrolla una herramienta numérica (el Virtual Wind Tunnel, VWT) para la resolución de problemas que involucran el flujo de un fluido alrededor de una estructura. Debido a las limitaciones que los métodos tradicionales pueden tener en este contexto, el VWT se basa en el empleo de técnicas de malla fija (tipo CutFEM) combinadas con una descripción implícita de los cuerpos embebidos. Una de las principales contribuciones de la tesis es el empleo de dichos métodos de malla fija para resolver problemas de estructuras ligeras de pared delgada. Así pues, se proponen dos formulaciones embebidas capaces de representar el flujo alrededor de un cuerpo con o sin volumen interno. La primera de ellas resulta en una implementación más sencilla así como en un menor coste computacional pero únicamente puede reprentar un comportamiento deslizante de la pared. La segunda elimina esta limitación incluyendo una imposición mediante el método de Nitsche de la condición de Navier-slip, permitiendo así modelar cualquier comportamiento del mismo modo que lo haría una ley de pared. El rango de aplicabilidad del VWT incluye el problema de interacción fluido¿estructura (FSI). A tal propósito se plantea una mejora para la imposición de las condiciones de contorno del problema de movimiento de la malla del algoritmo FM-ALE. Asimismo, también se hace especial hincapié en la implementación, que ha sido concebida para ser fácilmente extensible a cualquier otro problema acoplado. La validación de las tecnologías implementadas en el VWT incluyen múltiples casos teóricos así como posibles aplicaciones industriales. Entre éstas se destaca el análisis FSI de una 4-point tent durante un episodio de viento severo ya que demuestra la consecución del objetivo inicial de la tesis.