برهم‌کنش میان سیال و سازه به اختصار (FSI) به مطالعه برهم‌کنش میان برخی از سازه‌های متحرک یا تغییرشکل‌پذیر با جریان سیال داخلی یا حول آن جسم می‌پردازد. برهم‌کنش میان سیال و سازه به صورت پایدار و به صورت ارتعاشی مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در برهم‌کنش ارتعاشی، کرنش شکل گرفته در سازه جامد به گونه‌ای سازه را وادار به حرکت و تغییرشکل می‌کند که تصور می‌شود منبع ایجاد کرنش در حال کاهش است و سازه دوباره به شکل اولیه خود بازمی‌گردد (در واقع ماهیت پدیده‌های ارتعاشی در برهم‌کنش میان سازه و سیال به صورت الگوی تکرارشونده‌ای است).

در نظر گرفتن برهم‌کنش میان سازه و سیال از جمله مهم‌ترین ملاحظات در طراحی بسیاری از سیستم‌های مهندسی نظیر هواپیماها، موتورها و پل‌ها است. چشم‌پوشی از این برهم‌کنش به ویژه در وضعیت ارتعاشی آن عواقب ویرانگری به دنبال خواهد داشت. این وضع وقتی تشدید می‌شود که مصالح به کار رفته در سازه از منظر خستگی مکانیکی نیز آسیب‌پذیر باشند.

فاجعه پل تاکوما در ایالت واشینگتن آمریکا که در سال ۱۹۴۰ رخ داد بارزترین نمونه از نتایج عدم رعایت برهم‌کنش‌های میان سازه و جریان سیال به شمار می‌رود؛ در ابتدا دلیل اصلی این فاجعه عدم توجه به تشکیل «خیابان گردابه‌های فون کارمن» ناشی از جریان هوا حول پل و درنظر نگرفتن برابری فرکانس نوسانات این گردابه‌ها با فرکانس طبیعی پیچشی سازه عنوان می‌شد، اما بعدها مشخص شد که پدیده برهم‌کنشی دیگری به نام «هواکشسانی بال پرنده» aeroelastic flutter دلیل اصلی ریزش پل بوده است (در بخش بعدی توضیحات بیش‌تری راجع به این مورد آمده است). به هر روی هر دوی این پدیده‌ها در قلمرو برهم‌کنش میان سازه و سیال جای می‌گیرند و عدم رعایت آن‌ها در هنگام طراحی سازه‌های عظیمی هم‌چون پل نتایج تلخ و جبران‌ناپذیری به دنبال خواهد داشت.

در مخازن متحرک حاوی سیالات (نظیر مخازن حمل لبنیات و فراورده‌های نفتی)، سیالات دچار حرکتی نوسانی نظیر حرکت یک پاندول می‌شوند. چنین حرکتی باعث تحمیل نیروها و گشتاورهای مستمر بر جداره‌های مخزن می‌شوند و این امر می‌تواند پایداری وضعیت مخزن حمل سیال را با تهدیدهای جدی روبه‌رو کند.

همان‌گونه که از ماهیت فیزیکی پدیده‌های فوق‌الذکر پیداست، برای مدل‌سازی و تجزیه و تحلیل این سیستم‌ها ناچار به درنظر گرفتن تؤامان دست‌کم دو دسته از معادلات مربوط به قوانین بقا و حرکت هستیم؛ لذا برهم‌کنش میان سازه و سیال اساساً در چارچوب مباحث «چندگانه فیزیکی (مولتی فیزیک)» طبقه‌بندی می‌شوند. تجزیه و تحلیل و حل چنین مسائلی دارای پیچیدگی‌های خاصی است و رویکرد دانشمندان برای این پدیده‌ها بیش‌تر همراه با روش‌های تجربی و آزمایشگاهی و تحلیل‌های عددی است. از همین رو مباحث مربوط به دینامیک محاسباتی سیالات در این زمینه اهمیت زیادی پیدا می‌کند.

منبع: Wikipedia

مترجم و تهیه‌کننده: محبوبه پوریوسفی