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

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Projekt hat eine neue Methodik zur gekoppelten FSI-Simulation leichter dynamischer Flächentragwerke in turbulenten Windströmungen entwickelt. In der erste Phase wurde die FSI-Methode basierend auf einem partitionierten Lösungsansatz aufgebaut: Die Strömung wird mittels wirbelauflösenden Verfahren (LES) berechnet und die dünnen Strukturen mittels Membranoder Schalen-Modellen abgebildet. Dieser FSI-LES-Framework wurde mit Hilfe von komplementären experimentellen und numerischen Testfällen erfolgreich validiert. In der zweiten Phase wurden die physikalischen Randbedingungen des gesamten FSI-Problems überarbeitet. Da realistische Einstrombedingungen einen großen Einfluss auf LES-Simulationen haben, wurde ein synthetischer Einstromgenerator zur Vorgabe realistischer turbulenter Schwankungen weiterentwickelt und erfolgreich validiert. Die synthetischen Einstromdaten können nun durch eine neue Quellterm-Formulierung ohne zusätzliche CPU-Kosten innerhalb des Rechengebiets injiziert werden, was das Problem der Dämpfung dieser Schwankungen löst. Als zusätzliche Weiterentwicklung lassen sich extreme Ereignisse wie z.B. Windböen zu den künstlichen Einstrombedingungen addieren. Diese Böen können entweder mit Hilfe einer deterministischen oder einer stochastischen Methode generiert werden. Parameterstudien dazu wurden anhand von drei Testfällen durchgeführt, um die besten Grundformen der Böen zu identifizieren. Als zweite wichtige Verbesserung des Simulationsansatzes wurde die Beschreibung des FSI-Interfaces neu konzipiert. Die FEM-Diskretisierung der Struktur wurde durch einen modernen isogeometrischen Ansatz (IGA) ersetzt. Die IGA-Diskretisierung kann mittels CAD-Software direkt importiert werden. Die im Fall von FEM erforderliche Gittererstellung wird nicht mehr benötigt. Die auf NURBS-basierende IGA-Methode stellt die leichten Flächentragwerken sehr genau dar. Der Mapping-Prozess des FSI-LES-Frameworks basiert auf der Mortar-Methode. Dank dieser stark verbesserten Beschreibung der Membranoberfläche und dem Mortar-Mapping bleibt das FSI-Interface glatt, im Gegensatz zu einer mittels FEM diskretisierten Struktur, bei der eine künstliche Rauigkeit auftritt. Diese ist zu vermeiden, da sie die Strömungslösung direkt beeinflusst. Wenn das FSI-Interface im Strömungslaser korrekt wiedergegeben wird, fehlt als letzte Komponente noch, dass die Verformung des FSI-Interfaces auch derart in das innere CFD-Rechengebiet weitergegeben wird, dass die Qualität des ursprünglichen Gitters nicht verloren geht. Dazu wurde ein leistungsfähiger Gitterverformungsalgorithmus speziell für LES auf blockstrukturierten Gittern entwickelt. Er basiert auf einem hybriden Verfahren, bei dem die Vorteile unterschiedlicher Gitterverformungsansätze, wie die Schnelligkeit der transfiniten Interpolation und die hohe Qualität der Gitter bei der Inverse Distance Weighting-Methode kombiniert werden. Mit diesen Weiterentwicklungen ist das FSI-LES-Framework komplettiert und auf realitätsnahe Geometrien angewandt worden. Dazu wurde neben der Umströmung einer Windturbine die turbulente Strömung um eine Traglufthalle in Form einer Halbkugel-Membran untersucht. Letztere findet man als leichtes flexibles Flächentragwerk im Bauingenieurwesen. Die Ergebnisse eines starren Körpers wurden zur Validierung mit korrespondierenden experimentellen Messdaten verglichen und tiefgehend analysisert. Dann wurde der starre Körper bei identischen Strömungsbedingungen durch eine flexible Membran ersetzt und mittels FEM sowie IGA modelliert. Die zeitgemittelten numerischen Resultate wurden mit Messwerten verglichen und eine gute Übereinstimmung festgestellt. Zusätzlich wurden die instationären FSI-Phänomene wie die verschiedenen Wirbelablösungen und die Eigenmodi der Struktur untersucht und umfangreiche Erkenntnisse über die komplexen Wechselwirkungen der turbulenten Strömung mit der Membranstruktur gesammelt. Das Projekt wurde für den Jahresbericht 2015 der DFG ausgewählt und unter der Rubrik Forschungsförderung / Ingenieurwissenschaften ausführlich über zwei Seiten dargestellt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A New Turbulent Three–Dimensional FSI Benchmark FSI-PfS-3a: Definition and Measurements, V Int. Conf. on Computational Methods in Marine Engineering, MARINE 2013, May 29–31, 2013, Hamburg, Germany, pp. 241–254, ISBN 978–84–941407–4–7, CIMNE, (2013)
  Kalmbach, A., De Nayer, G., Breuer, M.
  
• A Nitsche-type Formulation and Comparison of the Most Common Domain Decomposition Methods in Isogeometric Analysis, Int. J. Num. Meth. Eng., vol. 97, pp. 473–504, (2014)
  Apostolatos, A., Schmidt, R., Wüchner, R., Bletzinger, K.-U.
  
• Domain Decomposition Methods and Kirchhoff-Love Shell Multipatch Coupling in Isogeometric Analysis, Lecture Notes in Computational Science and Engineering, Isogeometric Analysis and Applications 2014, ISBN 978-3-319-23314-7, vol. 107, pp. 73–101, Springer (2015)
  Apostolatos, A., Breitenberger, M., Wüchner, R., Bletzinger, K.-U.
  
• Flow Past a Cylinder with a Flexible Splitter Plate: A Complementary Experimental–Numerical Investigation and a New FSI Test Case (FSI-PfS-1a), Comput. Fluids, vol. 99, pp. 18–43, (2014)
  De Nayer, G., Kalmbach, A., Breuer, M., Sicklinger, S., Wüchner, R.
  
• Fluid–Structure Interaction of Thin–Walled Structures in Turbulent Flows, ’High Performance Computing in Science and Engineering, Garching/Munich 2014’, ISBN 978-3-9816675-0-9, pp. 116–117, Verlag der Bay. Akad. der Wiss., München, (2014)
  Breuer, M., De Nayer, G.
  
• Numerical FSI Investigation based on LES: Flow Past a Cylinder with a Flexible Splitter Plate Involving Large Deformations (FSI-PfS-2a), Int. J. Heat Fluid Flow, vol. 50, pp. 300–315, (2014)
  De Nayer, G., Breuer, M.
  
• Analysis in Computer Aided Design: Nonlinear Isogeometric B-Rep Analysis of Shell Structures, Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., vol. 284, pp. 401–457, (2015)
  Breitenberger, M., Apostolatos, A., Philipp, B., Wüchner, R., Bletzinger, K.-U.
  
• Assessment and Improvement of mapping Algorithms for Non-matching Meshes and Geometries in Computational FSI, Computational Mechanics, vol. 57(5), pp. 793–816, (2016)
  Wang, T., Wüchner, R., Sicklinger, S., Bletzinger, K.-U.
  
• Complementary Experimental–Numerical Investigation of the Flow Past a Rigid and a Flexible Hemisphere in Turbulent Flow: Part II: Numerical Simulations, Proc. der 24. Gala–Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik“, Sept. 6–8, 2016, BTU Cottbus–Senftenberg, pp. 45-1–45-8, ISBN 978-3-9816764-2-6, (2016)
  Breuer, M., De Nayer, G., Wood, J.N.
  
• Experimental Investigation and Large–Eddy Simulation of the Turbulent Flow Past a Smooth and Rigid Hemisphere, Flow Turbul. Combust., vol. 97(1), pp. 79–119, (2016)
  Wood, J.N., De Nayer, G., Schmidt, S., Breuer, M.
  
• Investigations on the Flow past a Wall-mounted Hemisphere based on LES and synthetically generated Turbulence. Proceedings of the 11th International ERCOFTAC Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements (ETMM11), Palermo, Sicily/Italy, Sept. 21-23 (2016)
  De Nayer, G., Schmidt, S., Wood, J.N. and Breuer, M.
  
• A Fast and Robust Hybrid Method for Block– Structured Mesh Adaption with Emphasis on FSI–LES Applications, Int. J. Num. Meth. Eng., vol. 111, pp. 273–300, (2017)
  Sen, S., De Nayer, G., Breuer, M.
  
• Modeling of Wind Gusts for Large–Eddy Simulations related to Fluid–Structure Interactions, Eleventh Int. ER- COFTAC Workshop on DNS and LES: DLES-11, Pisa, Italy, May 29–31, (2017)
  De Nayer, G., Breuer, M., Perali, P., Grollmann, K.
  
• Coupled Simulations Involving Light-weight Structures within Turbulent Flows: A Complementary Experimental and Numerical Application, Proc. in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM), 89th Annual GAMM Meeting, TU Munich, March 19–23, (2018)
  De Nayer, G., Wood, J.N., Breuer, M., Apostolatos, A., Wüchner, R.
  
• Coupled Simulations Involving Light-weight Structures within Turbulent Flows: FSI Strategy and Non–matching Interface Treatment for Isogeometric B-Rep Analysis, Proc. in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM), 89th Annual GAMM Meeting, TU Munich, March 19–23, (2018)
  Wüchner, R., Apostolatos, A., De Nayer, G., Breuer, M., Bletzinger, K.
  
• Enhanced Injection Method for Synthetically Generated Turbulence within the Flow Domain of Eddy–Resolving Simulations, Comput. Math. Appl., vol. 75(7), pp. 2338–2355, (2018)
  De Nayer, G., Schmidt, S., Wood, J.N., Breuer, M.
  
• Experimental Studies on the Instantaneous Fluid–Structure Interaction of an Air–Inflated Flexible Membrane in Turbulent Flow, J. Fluids Struct., vol. 80, pp. 405–440, (2018)
  Wood, J.N., Breuer, M., De Nayer, G.
  
• Numerical Studies on the Instantaneous Fluid–Structure Interaction of an Air–Inflated Flexible Membrane in Turbulent Flow, J. Fluids Struct., vol. 82, pp. 577–609, (2018)
  De Nayer, G., Apostolatos, A., Wood, J.N., Bletzinger, K., Wüchner, R., Breuer, M.