Contributions in the acoustic study of fluid-structure interaction problems with porous materials and thin structures
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http://hdl.handle.net/2183/34909Coleccións
- Teses de doutoramento [2147]
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Contributions in the acoustic study of fluid-structure interaction problems with porous materials and thin structuresAutor(es)
Director(es)
Hervella-Nieto, Luis MaríaPrieto, A.
Data
2023Resumo
[Abstract] This thesis addresses a vibroacoustic problem in a coupled system consisting of a fluid domain,
a poroelastic domain, and a thin elastic solid, such as a flexible plate, through a numerical and
experimental method.
The understanding of acoustic wave propagation in this coupled problem and the search for
mathematical models to simulate and predict the attenuation introduced by porous materials in
industrial case studies were proposed within the mechanical engineering research group at the
technological centre IKERLAN.
To achieve this, a literature review is first conducted on poroelastic materials to understand the
parameters they depend on, how they are measured and experimentally characterized, and the
study of the different existing mathematical models to simulate wave propagation through these
materials.
Subsequently, the coupled problem is modeled by developing a finite element numerical code
applied to the specific case study of a hexahedral cavity with rigid walls except for the upper
wall, which is formed by a thin flexible aluminium plate screwed to the cavity and covered with
a layer of poroelastic material.
Different models for poroelastic material modeling are compared, ranging from empirical models
and phenomenological models of equivalent fluid to models that take into account both the
fluid and solid phases of the material. The pressure in the fluid domain is discretized with
continuous Q1-Lagrange elements, the plate is discretized by combining standard Q1-Lagrange
elements for membrane displacements with MITC4 elements for bending displacements. The
poroelastic domain is modeled in each case through its characteristic impedance (considering
rigid or movil wall impedance) in empirical models, discretized as the fluid but with density and
compressibility modulus with dissipative parts in the equivalent fluid models, and discretized
through displacement-displacement degrees of freedom using (Q1)3-Lagrange elements when both
solid and fluid phases are modeled.
Experimental work is carried out, both for the characterisation of material properties (porous
materials and plate) and the sound source excitation, and an experimental validation of the
problem is performed by comparing the different models. [Resumen] Esta tesis aborda a traves de un metodo numerico y experimental un problema vibroacustico en
un sistema acoplado comprendido de un dominio de fluido, un dominio poroelastico y un solido
elastico fino como es una placa flexible.
La comprension de la propagacion de ondas acusticas en dicho problema acoplado y la busqueda
de modelos matematicos para simular y predecir la atenuacion que introducen los materiales
porosos en casos de estudio industriales fue planteado dentro del grupo de investigacion de
ingenieria mecanica del centro tecnologico IKERLAN.
Para ello, primero se lleva a cabo una revision bibliografica sobre los materiales poroelasticos, para
conocer los parametros de que dependen, como se miden y se caracterizan experimentalmente, y
el estudio de los diferentes modelos matematicos existentes para simular la propagacion de ondas
a traves de dichos materiales.
Posteriormente, se modela el problema acoplado desarrollando un codigo numerico por elementos
finitos aplicado al caso de estudio concreto de una cavidad hexaedrica de paredes rigidas salvo
la pared superior formada por una placa fina flexible de aluminio atornillada a la cavidad y
recubierta de una capa de material poroelastico.
Se comparan diferentes modelos para la modelizacion del material poroso, desde modelos empiricos
y modelos fenomenologicos de fluido equivalente, hasta modelos que tienen en cuenta
las dos fases, fluida y solida, del material. La presion del dominio de fluido se discretiza con
elementos de Lagrange Q1, la placa se discretiza combinando elementos de Lagrange Q1 para
los desplazamientos de membrana con elementos MITC4 para los desplazamientos de flexion.
El dominio poroelastico se modela en cada caso a traves de su impedancia caracteristica (considerando
impedancia de pared rigida o movil) en los modelos empiricos, discretizado como el
fluido pero con densidad y modulo de compresibilidad con partes disipativas en los modelos de fluido
equivalente, y discretizando a traves de grados de libertad de desplazamiento-desplazamiento
con elementos de Lagrange (Q1)3 cuando se modelan las dos fases, solida y fluida, de que se
componen.
Se lleva a cabo un trabajo experimental, tanto para la caracterizacion de las propiedades de los
materiales (porosos y placa) como la fuente sonora de excitacion, y una validacion experimental
del problema comparando los diferentes modelos. [Resumo] Esta tese aborda a traves dun metodo numerico e experimental un problema vibroacustico nun
sistema acoplado comprendido dun dominio de fluido, un dominio poroelastico e un solido elastico
fino como e unha placa flexible.
A comprension da propagacion de ondas acusticas nese problema acoplado e a busca de modelos
matematicos para simular e prever a atenuacion que introducen os materiais porosos en casos de
estudo industriais foi exposto dentro do grupo de investigacion de enxenaria mecanica do centro
tecnoloxico IKERLAN.
Para iso, primeiro levase a cabo unha revision bibliografica sobre os materiais poroelasticos, para
conecer os parametros de que dependen, como se miden e caracterizanse experimentalmente, e
o estudo dos diferentes modelos matematicos existentes para simular a propagacion de ondas a
traves dos devanditos materiais.
Posteriormente, modela o problema acoplado desenvolvendo un codigo numerico por elementos
finitos aplicado ao caso de estudo concreto dunha cavidade hexaedrica de paredes rixidas salvo
a parede superior formada por unha placa fina flexible de aluminio aparafusada a cavidade e
recuberta dunha capa de material poroelastico.
Comparanse diferentes modelos para a modelizacion do material poroso, desde modelos empiricos
e modelos fenomenoloxicos de fluido equivalente, ata modelos que tenen en conta as duas fases,
fluida e solida, do material. A presion do dominio de fluido se discretiza con elementos de Lagrange
Q1, a placa se discretiza combinando elementos de Lagrange Q1 para os desprazamentos
de membrana con elementos MITC4 para os desprazamentos de flexion. O dominio poroelastico
se modela en cada caso a traves do seu impedancia caracteristica (considerando impedancia
de parede rixida ou mobil) nos modelos empiricos, discretizado como o fluido pero con densidade
e modulo de compresibilidad con partes disipativas nos modelos de fluido equivalente, e
discretizando a traves de graos de liberdade de desprazamento-desprazamento con elementos de
Lagrange (Q1)3 cando se modelan as duas fases, solida e fluida, de que se componen.
Levase a cabo un traballo experimental, tanto para a caracterizacion das propiedades dos materiais
(porosos e placa) como a fonte sonora de excitacion, e unha validacion experimental do
problema comparando os diferentes modelos.
Palabras chave
Materiales porosos
Análisis numérico
Ondas acústicas de superficie
Vibración
Análisis numérico
Ondas acústicas de superficie
Vibración
Descrición
Programa Oficial de Doutoramento en Métodos Matemáticos e Simulación Numérica en Enxeñaría e Ciencias Aplicadas. 5026V01
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