Geometrisch exakte Methoden für Fluid-Struktur-Interaktionen

• Antragsteller: Professor Marek Behr, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 249132206

Durch die in diesem Projekt entwickelte Methode wird es in Zukunft möglich sein, spezielle Fluid-Struktur-Interaktionsprobleme, die aufgrund von Stabilitätsproblemen bisher monolithischen Verfahren vorbehalten waren, mit partitionierten Verfahren zu lösen. Dies wird durch die Gewährleistung einer identischen und zudem beidseitig exakten Randdarstellung ermöglicht. Dazu werden auf Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) basierende Methoden sowohl fluid- wie strukturseitig verwendet und an der Grenzfläche miteinander verknüpft. Dennoch bleibt hier die Unabhängigkeit der Methoden garantiert.Die Verwendung partionierter Lösungsverfahren bietet den Vorteil existierende, sehr spezifische Einzelfeldlöser in ein Gesamtlösungssystem integrieren zu können. Eine Herausforderung ergibt sich aber aus der im Allgemeinen inkompatiblen Grenzflächendiskretisierung. Die damit zur Projektion der physikalischen Austauschgrößen notwendigen Methoden reduzieren die Stabilität partitionierter Verfahren im Vergleich zu aufwendigeren, geschlossenen Lösungssystemen deutlich. Dieses Problem konnte bisher nur unzureichend gelöst werden. Durch die Verwendung von NURBS-basierten Methoden kann dagegen eine beidseitig exakte Darstellung der Grenzfläche garantiert werden und ein Übertragungsfehler größtenteils ausgeschlossen werden. Die Idee ist initiiert durch die Isogeometrische Analyse (IGA), welche sich seit einigen Jahren in der Strukturanalyse durchsetzt. Der wesentliche Vorteil dieser, im vorgeschlagen Projekt eingesetzten Methode ist die Möglichkeit, die zum Strukturentwurf verwendeten Darstellungsmethoden direkt zur numerischen Analyse verwenden zu können. Da die Erstellung einer entsprechenden Volumendarstellung nur für einfache Geometrien realistisch ist, ist der Einsatz der IGA in der Strömungsmechanik nur eingeschränkt möglich. Viele Vorteile dieser Methode bleiben aber erhalten, wenn konventionelle Methoden um eine NURBS-basierte Randdarstellung erweitert werden. Ein entsprechendes Konzept wird in der NURBS-enhanced Finite-Element Method (NEFEM) verfolgt, welche in diesem Projekt auf Fluidseite eingesetzt wird. Das vorgeschlagene Projekt beinhaltet die Entwicklung der notwendigen Übertragungsmethoden. Ein Zwischenschritt ist dabei die Erweiterung existierender Methoden bei einseitiger Verwendung konventioneller Verfahren. Sämtliche Vorteile der neuen Methode werden sowohl anhand akademischer wie praxisrelevanter Problemstellungen demonstriert. Dabei sind positive Einflüsse sowohl aus den neuartigen Einzelfeldmethoden wie aus den deutlich fehlerreduzierten Übertragungsmethoden zu erwarten.Neben der Methodenentwicklung soll die Durchführung eines Workshops den wissenschaftlichen Austausch aktueller Entwicklungen im Bereich Fluid-Struktur-Interaktion fördern. In diesem Workshop soll neben der Vorstellung und Diskussion wegweisender Entwicklungen internationaler Experten auch dem wissenschaftlichen Nachwuchs eine Präsentationsplattform geboten werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen