Eddy resolving simulation methodology for dynamic fluid-structure interactions of lightweight flexible surface structures
Applied Mechanics, Statics and Dynamics
Final Report Abstract
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.
Publications
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