Os problemas de interação fluido-estrutura estão amplamente presentes na engenharia e devem ser adequadamente considerados durante o projeto estrutural, no entanto, apresentam diversos desafios à simulação computacional. Com o objetivo principal de desenvolver e avaliar metodologias para lidar com esses desafios, este trabalho apresenta um estudo sobre ferramentas computacionais para simulação numérica de problemas de interação fluido-estrutura (IFE) com foco em escoamentos incompressíveis com efeitos de vorticidade e turbulência interagindo com estruturas elásticas sujeitas a grandes deslocamentos. Primeiramente, explora-se uma formulação do Método dos Elementos Finitos (MEF) para escoamentos incompressíveis com estabilização dos termos convectivos (SUPG) e da pressão (PSPG), empregando a descrição Lagrangiana-Euleriana arbitrária (ALE) para permitir a movimentação da interface fluido-estrutura. Na sequência, implementa-se a formulação variacional multiescala (VMS) e o modelo Large Eddy Simulation (LES) para capturar os efeitos de turbulência, buscando simulações mais realistas e eficientes. As estruturas são modeladas por elementos de casca de Reissner-Mindlin, permitindo a simulação de diversos problemas com estruturas esbeltas ou espessas. Emprega-se uma formulação do MEF baseada em posições, a qual naturalmente engloba os efeitos da não linearidade geométrica. A malha do fluido é deformada dinamicamente empregando-se um modelo baseado na equação de Laplace, de modo a permitir a conformidade com a interface fluido-estrutura preservando a qualidade da malha. O acoplamento fluido-estrutura é realizado de forma particionada forte, permitindo a solução do problema não linear acoplado de forma bloco-iterativa e conferindo modularidade ao código computacional. Os resultados obtidos foram comparados com resultados da literatura, demonstrando a eficácia e a aplicabilidade das metodologias estudadas no contexto da engenharia estrutural e fluidodinâmica. Nota-se que o emprego do VMS melhora ligeiramente os resultados em comparação com a simulação direta empregado SUPG/PSPG. Já a aplicação do LES melhora significativamente a qualidade dos resultados, principalmente em problemas com número de Reynolds elevados, permitindo a obtenção de solução estável mesmo com uma discretização menos refinada na região de maiores gradientes de velocidade.

Fluid-structure interaction (FSI) problems are widely present in engineering and must be adequately considered during structural design, however, they pose several challenges to computational simulation.With the main objective of developing and evaluating methodologies to address these challenges, this work presents a study on computational tools for numerical simulation of fluid-structure interaction (FSI) problems focusing on incompressible flows with vorticity and turbulence effects interacting with elastic structures subjected to large deformations. Firstly, a formulation of the Finite Element Method (FEM) for incompressible flows with advective stabilization (SUPG) and pressure stabilization (PSPG) is explored, employing the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) description to enable the movement of the fluid-structure interface. Subsequently, a variational multiscale (VMS) formulation and Large Eddy Simulation (LES) model are implemented to capture turbulence effects, aiming for more realistic and efficient simulations. The structures are modeled using Reissner-Mindlin shell elements, allowing the simulation of various problems with slender or thick structures. A position-based FEM formulation is employed, which naturally incorporates the effects of geometric nonlinearity. The fluid mesh is dynamically deformed using a Laplace equation-based model to maintain conformity with the fluid-structure interface while preserving mesh quality. The fluid-structure coupling is performed in a strongly partitioned manner, enabling the solution of the coupled nonlinear problem in a block-iterative fashion and providing modularity of the computational code. The obtained results are compared with literature results, demonstrating the effectiveness and applicability of the studied methodologies in the context of structural and fluid dynamics engineering. It is noted that the use of VMS slightly improves results compared to direct simulation employing SUPG/PSPG. On the other hand, the application of LES significantly enhances result quality, particularly in problems with high Reynolds numbers, enabling stable solutions even with less refined discretization in regions of higher velocity gradients.