Autor: XIA, Yingjie

Título: High-Fidelity Fluid-Structure Interaction: Modeling, Analysis, and Control of Flow-Induced Vibration

Fecha: 2026

Materia: ---

Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION

Departamento: MATEMATICA APLICADA A LA INGENIERIA AEROESPACIAL

Acceso electrónico: https://oa.upm.es/95475/

Director/a(s):

• Director/a: FERRER VACCAREZZA, Esteban

Resumen: Fluid-structure interaction (FSI) plays a central role in many natural and engineering systems where unsteady aerodynamic loading is coupled with structural dynamics and gives rise to complex flow-induced vibration (FIV) phenomena. This thesis advances high-fidelity FSI modeling, analysis, and active control, with a particular focus on aeroelastic flutter as a representative and challenging FIV problem. First, high-fidelity FSI modeling frameworks are developed. A high-order discontinuous Galerkin (DG) solver is coupled with a volume penalization immersed boundary method, incorporating reinforcement-learning-based anisotropic p-adaptation and a high-order immersed force evaluation scheme. This approach offers low numerical errors and excellent scalability in modern architecture. In parallel, a finite volume (FV) solver with an arbitrary Lagrangian Eulerian formulation is advanced as a high efficiency and accuracy alternative suitable for large parametric and control oriented studies. Numerical convergence and validation studies show that the DG framework achieves third- to fourth-order accuracy for FSI benchmarks, while the FV solver consistently exhibits second-order accuracy. Together, these approaches provide flexible and scalable frameworks for high fidelity FSI simulations. Second, a typical FIV problem, aeroelastic airfoil flutter, is selected to perform a detailed analysis of its dynamics and flow mechanism. Two distinct flow topologies are identified. Large-amplitude airfoil oscillations are governed by boundary-layer eruption and leading-edge vortex shedding accompanied by the formation of a second leading-edge vortex, whereas small-amplitude airfoil oscillations exhibit bluff-body-type shedding without second leading-edge vortex. A circulation-based scaling is introduced to distinguish these flow topologies and to quantitatively characterize the associated aerodynamic mechanisms. Third, active control strategies based on harmonic surface morphing are developed to mitigate aeroelastic flutter. An energy-based map is constructed to characterize the boundary of flutter across control parameters and to enable rapid prediction of control performance. A clustering-based vortex-induced load partitioning method is further developed to decompose aerodynamic loads into contributions from individual vortical structures, revealing a counter-intuitive control mechanism in which flutter mitigation is achieved by enhancing rather than the conventional paradigm of suppressing vortices. Finally, a phase-locked loop control strategy is proposed to adaptively adjust the morphing phase based on real-time motion signals, demonstrating that flutter within flow typology with large-amplitude oscillations can be completely suppressed using surface morphing amplitudes an order of magnitude smaller than the characteristic separation vortex scale. In conclusion, the thesis advances high fidelity FSI modeling, provides new physical insight into the mechanisms governing aeroelastic flutter, and proposes active control strategies that are both effective and capable of achieving fine-scale control of flow vortical structures. The numerical and analytical tools developed here form a foundation for the prediction, interpretation, and control of complex FSI phenomena. RESUMEN La interacción fluido-estructura (FSI) desempeña un papel fundamental en numerosos sistemas naturales y de ingeniería, en los que las cargas aerodinámicas no estacionarias se acoplan con la dinámica estructural y dan lugar a complejos fenómenos de vibración inducida por el flujo (FIV). Esta tesis doctoral avanza en la modelización, el análisis y el control activo de alta fidelidad de problemas FSI, con un énfasis particular en el flutter aeroelástico como un problema FIV representativo y altamente desafiante. En primer lugar, se desarrollan marcos de modelización FSI de alta fidelidad. Se acopla un solver de Galerkin discontinuo (DG) de alto orden con un método de frontera inmersa mediante penalización volumétrica, incorporando una adaptación anisotrópica del orden polinómico basada en aprendizaje por refuerzo y un esquema de evaluación de fuerzas inmersas de alto orden. Este enfoque proporciona bajos errores numéricos y una excelente escalabilidad en arquitecturas computacionales modernas. En paralelo, se desarrolla un solver de volúmenes finitos (FV) con formulación arbitraria Lagrangiana-Euleriana como una alternativa de alta eficiencia y precisión, adecuada para estudios paramétricos extensivos y aplicaciones orientadas al control. Los estudios de convergencia numérica y validación muestran que el marco DG logra una precisión de tercer a cuarto orden para los puntos de referencia FSI, mientras que el solucionador FV exhibe consistentemente una precisión de segundo orden. En conjunto, estos enfoques constituyen marcos flexibles y escalables para simulaciones FSI de alta fidelidad. En segundo lugar, se selecciona un problema FIV típico, el flutter aeroelástico de un perfil alar, para llevar a cabo un análisis detallado de su dinámica y de los mecanismos de flujo asociados. Se identifican dos topologías de flujo claramente diferenciadas. Las oscilaciones de gran amplitud del perfil están dominadas por la erupción de la capa límite y el desprendimiento de vórtices de borde de ataque, acompañados por la formación de un segundo vórtice de borde de ataque, mientras que las oscilaciones de pequeña amplitud presentan un desprendimiento de tipo cuerpo romo sin la aparición de dicho segundo vórtice de borde de ataque. Se introduce una escala basada en la circulación para distinguir estas topologías de flujo y caracterizar cuantitativamente los mecanismos aerodinámicos asociados. En tercer lugar, se desarrollan estrategias de control activo basadas en el morfado armónico de la superficie para la mitigación del flutter aeroelástico. Se construye un mapa basado en la energía para caracterizar el límite del flutter en función de los parámetros de control y permitir una predicción rápida del rendimiento del control. Asimismo, se desarrolla un método de partición de cargas inducidas por vórtices basado en técnicas de agrupamiento, que permite descomponer las cargas aerodinámicas en contribuciones asociadas a estructuras vorticales individuales, revelando un mecanismo de control contraintuitivo en el que la mitigación del flutter se logra mediante la intensificación, y no la supresión, de los vórtices. Finalmente, se propone una estrategia de control mediante bucle de enganche de fase (phase-locked loop), que ajusta de forma adaptativa la fase del morfado a partir de señales de movimiento en tiempo real, demostrando que el flutter en el régimen de grandes oscilaciones puede suprimirse completamente utilizando amplitudes de morfado superficial un orden de magnitud inferiores a la escala característica de los vórtices de separación. En conclusión, esta tesis doctoral avanza el estado del arte en la modelización FSI de alta fidelidad, aporta nuevos conocimientos físicos sobre los mecanismos que gobiernan el flutter aeroelástico y propone estrategias de control activo que son tanto efectivas como capaces de lograr un control a escala fina de las estructuras vorticales del flujo. Las herramientas numéricas y analíticas desarrolladas constituyen una base sólida para la predicción, interpretación y control de fenómenos complejos de interacción fluido-estructura.