Wirbelauflösende Simulationsverfahren für dynamische Fluid-Struktur-Interaktionen von leichten flexiblen Flächentragwerken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kai-Uwe Bletzinger; Professor Dr.-Ing. Michael Breuer
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 211249184

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer optimierten Methodik zur Simulation dynamisch gekoppelter Fluid-Struktur-Interaktionen von leichten Flächentragwerken in turbulenten Windströmungen. Für die Auslegung von flexiblen Leichtbaukonstruktionen ist die starke Wechselwirkung mit dem turbulenten, hochgradig wirbelbehafteten Strömungsfeld bemessungsrelevant. In der ersten Phase wurde auf der Basis eines partitionierten Lösungskonzepts aus etablierten Teillösernund einem Kopplungsinterface eine auf die speziellen Charakteristika und Skalen der Einzelfelder abgestimmte Gesamtmethodikerarbeitet. Bisherige Ergebnisse sind: 1. Robustes, effizientes und umfangreich validiertes Kopplungsverfahren zwischen wirbelauflösendem Verfahren (LES) und Schalen- und Membranstrukturen. 2. Stark verbesserte Geometrie- und Kinematikmodellierung (derzeit für ungetrimmte NURBS-Flächen) mittels IGA und geometrisch präziser Kopplungsschicht (ECL). 3. Einsatz der neuen Kopplungssoftware EMPIRE für NURBS-basierte Geometriebeschreibung. 4. Erste realitätsnahe Anwendung auf Traglufthalle. Um das Gesamtziel zu erreichen, stehen nun folgende Arbeitspunkte an:Auf der Strömungsseite ist das wirbelauflösende Verfahren und der damit direkt verbundene FSI-Kopplungsalgorithmus in zweierlei Hinsicht weiterzuentwickeln: In numerisch/methodischer Hinsicht durch die Entwicklung eines geeigneten Gitterverformungsalgorithmus, der es erlaubt, die nun erreichte hohe Güte der Gitter am Interface auch auf das CFD-Volumennetz zu übertragen, dabei aber den numerischen Mehraufwand m"oglichst gering h"alt und die speziellen Anforderungen der gekoppelten LES-FSI-Methodik berücksichtigt. In physikalisch/methodischer Hinsicht ist die realitätsnahe Beschreibung der turbulenten Anströmung dringend erforderlich. Da leichte Flächentragwerke vor allem durch sporadisch auftretende Starkwind-Böenbesonders belastet werden, soll ein Inflow-Generator entwickelt werden, der diese hochgradig dynamischen Belastungsszenarien abbildet.Auf der Strukturseite liegt der Schwerpunkt auf der methodischen Weiterentwicklung der Patch- und Oberflächenkopplungsmethoden für den praxisrelevanten Fall von getrimmten Multi-Patch Geometrien aus CAD.Ziel ist die Bereitstellung einer geeigneten Geometrie- und Kinematikformulierung, die auch auf getrimmten Patches und anPatchübergängen (getrimmt, ungetrimmt, etc.) über die entsprechenden geometrischen Flächeneigenschaften verfügt und den Anforderungen aus der hohen Auflösung der sehr feinen LES-Netze genügt. Dazu werden zwei Strategien verfolgt: Die Kopplung des FVM-Netzes (1) direkt mit dem IGA-Strukturmodell und (2) mit der ECL als Mediator zu beliebigen Strukturmodellen wie z.B. den klassischen FEM-Modellen geringer Kontinuitätseigenschaften.Aufbauend auf dieser Gesamtmethodik werden umfangreiche Simulationen und Analysen von realistischen Tragwerksstrukturen in turbulenter Strömung mit Starkwind-Böen durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Roland Wüchner