Simulazione numerica diretta della rottura di fibre solide in regime di turbolenza omogenea isotropa

L’interazione tra oggetti solidi e flussi fluidi, in gergo interazione fluido-struttura (FSI), è un problema che si presenta in numerosi campi dell’ingegneria, da quello aerospaziale a quello civile e bio-medico. A questo fenomeno è spesso associato anche il concetto di frattura idraulica, che si origina a causa delle forze che si sviluppano per via dell’interazione tra le due fasi coinvolte, la prima dominata dalle leggi della meccanica strutturale e la seconda dalle leggi della fluidodinamica. Nel corso degli ultimi decenni sono stati fatti numerosi tentativi con l’obiettivo di sviluppare delle teorie che potessero simulare il fenomeno in modo accurato a discapito della sua complessità dovuta, oltre alla necessità di dover conciliare la meccanica di fasi differenti, alla presenza di singolarità nello sviluppo delle equazioni differenziali alle derivate parziali che descrivono il problema quando si considera la formazione di cricche nella fase solida. Un possibile approccio al problema consiste nel nell'utilizzo della peridinamica, un'innovativa teoria del continuo solido che riesce intrinsecamente a considerare la formazione e la propagazione di cricche. In questo contesto, la presente tesi si propone di affrontare il problema della frattura dovuta all'interazione fluido-strutturale utilizzando un metodo basato sull'accoppiamento della peridinamica con la formulazione incomprimibile delle equazioni i Navier-Stokes per mezzo di una tecnica IBM (immersed boundary method). E' nei propositi di questo elaborato utilizzare un software basato su tale metodologia per effettuare una simulazione numerica diretta (DNS) della rottura di fibre solide immerse in un regime di turbolenza omogenea isotropa; il software impiegato è stato precedentemente sviluppato e validato da F. Dalla Barba basandosi sul software open-source CaNS (Canonical Navier-Stokes) elaborato da P. Costa. I primi capitoli sono dedicati a richiami delle basi di meccanica dei solidi, di fluidodinamica e del concetto di turbolenza, per poi proseguire con una definizione delle tecniche CFD, del modo in cui queste operano e della teoria peridinamica. A seguito di questa parte introduttiva viene analizzato il fenomeno dell'interazione fluido-struttura presentando i differenti approcci che possono essere utilizzati per approfondirne lo studio. Infine è presentato il software utilizzato per le simulazioni per concludere con la presentazione e analisi dei risultati e le relative conclusioni oltre che i possibili sviluppi futuri in campo ingegneristico. E' stato osservato che le fibre subiscono rottura per un probabile processo di fatica meccanica, infatti il danneggiamento del materiale non avviene per mezzo di un unico evento impulsivo ma attraverso più eventi consecutivi che causano la formazione e la propagazione di cricche fino alla rottura delle fibre.