Engineering continues to evolve, improving the way analyses and calculations were previously performed to launch projects. Today, applications, systems, computational models, and other tools are used to ensure greater efficiency in these processes.
The simulations themselves have undergone numerous optimizations over time, keeping pace with the latest technologies, including those in the field of multiphysics. In this context, FSI—Fluid-Structure Interaction—is a term that frequently comes up in discussions on this topic.
The following will discuss what FSI analysis is and how it is applied in industry.
What is FSI analysis?
In general, interactions between a rigid structure and a flowing fluid can be observed in various industrial settings. In this regard, the analysis of fluid-structure interaction involves combining the laws governing fluid dynamics with the mechanics of structures.
In addition, to perform an FSI analysis, one must have a thorough understanding of the principles and techniques used in analysis through the finite element method (FEM) and computational fluid dynamics (CFD).
Check out some of the texts on the Kot Blog on these topics in the links below:
In short, these interactions can be observed from two points of view: the behavior of the fluid after encountering the structure or the behavior of the structure under the action of the fluid flow.
Considering Fluid-Structure Interaction in design and modeling
Fluid can be defined as a substance that deforms continuously when subjected to a shearing force, regardless of the magnitude of that force. [2]
When bulk materials have high moisture content, they can behave similarly to fluids, as demonstrated in one of Kot’s success stories. In the study in question, an FSI analysis was performed on a highly moist granular material stored in a silo. Under these conditions, the material accumulates on the walls of the silo until the mass detaches and flows downward, forming an avalanche.
Consequently, this avalanche moves toward the extraction feeder, which is not designed to handle this feed condition and suffers severe impacts, enough to cause its metal structure to collapse. The simulation shown in Video 1 depicts the event from the analysis.
Video 1: FSI analysis of a silo avalanche. [3]
On the other hand, in other applications, there are industrial mixers, which have moving parts and are considered essentially rigid components that agitate a fluid; they are responsible, for example, for incorporating particles into liquids. In this context, mixing efficiency is, above all, the most important factor to be taken into account.
In addition, it is possible to calculate the stresses in the agitators. Solid structures can be treated as fully stationary obstacles in the fluid flow in order to calculate the stresses in the solid materials.
FSI analysis and its applications in industry
In various industrial scenarios, the flow of fluids, such as air and water, can result in great stresses and strains in structures. These, in turn, can cause vibrations and critical deformations in rigid bodies.
In addition, FSI analyses can be performed on a variety of industrial assets. Some of the possible applications include:
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- Analysis of the effects generated by vortices in submerged structures, such as dam gates, pipes, etc..;
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- Analysis of aerospace components;
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- Analysis of components in the naval industry;
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- Analysis of automotive components;
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- Components of agitation systems such as reactors, mixers, thickeners, etc;
Conclusion
In short, FSI analyses have broad applicability in industrial settings, yielding results that provide a physical and mathematical understanding of effects not visible to the naked eye. For example, one can cite the design of components for an agitation system capable of withstanding the stresses generated by fluid movement, or the design of a structure capable of withstanding the impact of a flowing fluid.
In this way, it becomes possible to design structures with greater slenderness and lower costs, increase process efficiency (agitation efficiency), measure the estimated useful life of assets under the operating conditions in which it is inserted, among other things.
Kot has extensive experience in this area and can assist your business. Consult our team to assess the possibilities for application in your context.
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FAQ
1. O que é a Análise FSI e por que ela é chamada de engenharia “multifísica”?
A análise FSI é uma metodologia computacional que estuda a relação de dependência mútua entre a mecânica dos fluidos e a mecânica das estruturas. Ela é considerada multifísica porque resolve dois domínios da física ao mesmo tempo:
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A Física dos Fluidos: Regida pelas equações de conservação de massa e quantidade de movimento (Navier-Stokes);
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A Física dos Sólidos: Regida pelas leis de elasticidade, plasticidade e resistência dos materiais.
Em problemas tradicionais, calcula-se a força do fluido isoladamente e depois a aplica-se como uma carga estática na estrutura. No FSI, as duas físicas interagem continuamente: a força do fluido deforma a estrutura e a nova geometria deformada altera o caminho do fluido em tempo real.
2. Qual é a diferença prática entre CFD, FEM e FSI?
A tabela a seguir resume o foco e a aplicação de cada uma dessas tecnologias computacionais:
| Methodology | Foco Principal | Exemplo de Aplicação |
| CFD (Computational Fluid Dynamics) | Estudar apenas o movimento, pressão, velocidade e temperatura dos fluidos (líquidos e gases). | Avaliar a perda de carga em tubulações ou a eficiência de mistura em um tanque. |
| FEM / MEF (Finite Element Method) | Estudar apenas as tensões, deformações e deslocamentos em corpos sólidos e rígidos. | Verificar a resistência estática ou de fadiga do chassis de um veículo. |
| FSI (Fluid-Structure Interaction) | Estudar o impacto mútuo e dinâmico entre o escoamento do fluido e a estrutura sólida. | Simular o impacto do fluxo de minério úmido sobre as chapas de um alimentador. |
3. Como um material granel úmido (como minério de ferro) pode exigir uma análise FSI em silos?
Materiais a granel com elevado teor de umidade perdem suas características puramente granulares e passam a se comportar de forma análoga a fluidos viscosos ou pastosos.
Em silos, o minério úmido pode se aderir às paredes e formar grandes blocos suspensos. Quando ocorre o descolamento repentino dessa massa, gera-se o fenômeno conhecido como avalanche no silo. O impacto dinâmico dessa “massa fluidizada” despencando em alta velocidade sobre o alimentador de extração cria picos de tensão transientessíssimos que não são previstos por cálculos estáticos convencionais, frequentemente levando à dobragem ou ao colapso total da estrutura metálica do alimentador.
4. Como a simulação FSI é aplicada em misturadores e agitadores industriais?
Em reatores e tanques de agitação, o FSI desempenha um duplo papel fundamental:
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Eficiência de Processo: Avalia a capacidade das pás (impellers) em homogeneizar os particulados e líquidos sem gerar zonas mortas de escoamento;
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Integridade Mecânica: Calcula o torque e a resistência hidráulica oposta pelo fluido contra as pás rotativas. A análise identifica os picos de tensão de flexão no eixo e nas pás do agitador, prevenindo falhas por fadiga mecânica prematura decorrentes da turbulência do fluido.
5. O que são Vórtices e como o FSI previne a Vibração Induzida por Escoamento (VIV)?
Quando um fluido (ar ou água) passa por uma estrutura tubular ou cilíndrica (como tubulações submersas, pilares de pontes ou comportas de barragens), ele forma esteiras de vórtices alternados na parte posterior da estrutura (conhecidas como Esteiras de Von Kármán).
Esses vórtices geram forças de sucção periódicas que fazem a estrutura oscilar transversalmente. Se a frequência de desprendimento desses vórtices coincidir com a frequência natural da estrutura, ocorre o fenômeno de ressonância ou Vibração Induzida por Vórtice (VIV). A análise FSI permite prever esse fenômeno e redesenhar a geometria da estrutura antes da sua instalação em campo.
6. Quais são as principais vantagens operacionais de investir em análises FSI na fase de projeto?
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Otimização de Peso e Custo: Permite projetar estruturas mais esbeltas e leves sem comprometer a segurança, eliminando o superdimensionamento genérico;
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Prevenção de Falhas Ocultas: Revela modos de falha dinâmicos não lineares que ferramentas isoladas de CFD ou FEM não conseguem detectar;
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Aumento da Vida Útil de Ativos: Estima com precisão a vida em fadiga de componentes sujeitos a cargas fluidodinâmicas oscilantes;
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Redução de Paradas Não Programadas: Garante a confiabilidade operacional contínua em ativos críticos expostos a condições operacionais extremas.
References:
[1] https://br.comsol.com/multiphysics/fluid-structure-interaction
[2] STREETER, V. L. Fluid Mechanics. 1951.
[3] Kot Engenharia Collection.
