Please use this persistent identifier to cite or link to this item: doi:10.24405/534
Title: Experimental investigations on vortex-induced fluid-structure interaction benchmarks and corresponding numerical RANS predictions
Other Titles: Experimentelle Untersuchungen von wirbel-induzierter Fluid-Struktur-Wechselwirkung Benchmarks und korrespondierenden numerischen RANS Simulationen
Authors: Kalmbach, Andreas 
Subject (DDC): Ingenieurwissenschaften
Subject: Fluid-Struktur Wechselwirkung
Testfall
Turbulente Strömung
Turbulent Flow
Numerical Predictions
Issue Date: 2015
Publisher: Universitätsbibliothek der HSU/UniBwH
Document Type: Thesis
Source: elektronische Quelle (2015)
Publisher Place: Hamburg
Abstract: 
In den letzten Jahren stieg die Nachfrage nach verlässlichen Vorhersagemodellen für die numerische Simulation von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen (FSI) stark an. Diese komplexen physikalischen Wechselwirkungen sind in vielen industrie-relevanten Anwendungen zu finden, beispielsweise in der Entwicklung von Tragflügeln, Windkraftanlagen oder künstlichen Herzklappen. Schon heute ist die numerische Simulation von diesen multi-physikalischen Vorgängen ein immer wichtiger werdendes Werkzeug in der Produktentwicklung für Lebensdaueranalysen sowie im Prototyping. Durch die Entwicklung von verbesserten numerischen Algorithmen und den starken Anstieg der Rechenleistung ist es nun möglich, auch anwendungsnahe gekoppelte Fluid- (CFD) und Struktur- (CSM) Simulationen durchzuführen. Für die Verbesserung und Weiterentwicklung der numerischen Modelle sind Vergleiche mit experimentellen Daten unerlässlich. Zu diesem Zweck wurden in der Vergangenheit verschiedene Testkonfigurationen (Benchmarks) entwickelt und untersucht. In dieser Arbeit werden vier unterschiedliche Testkonfigurationen mit präzisen experimentellen Messmethoden und komplementären numerischen Simulationen untersucht. In jedem Testfall wird eine flexible Struktur einer turbulenten Strömung ausgesetzt und die Strukturantwort analysiert. Durch die entstehenden Wirbelablösungen an der Struktur und die daraus resultierenden quasi-periodisch wechselnden Druckkräfte auf der Fluid-Struktur-Grenzfläche wird diese zum Schwingen angeregt. Die experimentellen Untersuchungen wurden in einem Wasserkanal Göttinger Bauart durchgeführt. Der eingesetzte Versuchsstand ermöglicht die Nutzung kontaktloser Lasermesstechniken für die Untersuchung der Strömung (2D-Particle-Image-Velocimetry sowie 3D-Particle-Tracking) und der Strukturbewegung (2D-Laser-Line-Triangulation). Aufgrund der zyklischen Schwankung der Strukturauslenkung innerhalb einer Periode, welche wiederum durch die turbulenten Fluktuationen in der Strömung hervorgerufen wird, wurden die Messdaten für Struktur und Strömung nachträglich phasengemittelt. Für alle Testfälle wurde die Strukturantwort als Funktion der Einströmgeschwindigkeit analysiert. Dabei wurden verschiedene Schwingungszustände identifiziert und bekannten Anregungsmechanismen zugeordnet. Weiterhin wurden für alle Testfälle bei einer bestimmten Einströmgeschwindigkeit detailliertere Untersuchungen durchgeführt. Dazu wurde der Systemzustand innerhalb einer quasi-periodischen Schwingung für die Strömung sowie die Strukturbewegung experimental ermittelt. Die Testreihe FSI-PfS-1x besteht aus einem starren Zylinder, an welchem eine elastische Platte befestigt ist. Drei unterschiedliche elastische Materialien wurden unter ähnlichen Betriebsbedingungen untersucht. Für diese Testfälle wurden Strukturauslenkungen im Bereich des Zylinderdurchmessers im ersten und zweiten Schwingungsmodus ermittelt. Die zweite Testreihe FSI-PfS-2x benutzt eine ähnliche jedoch leichte veränderte Konfiguration wie FSI-PfS-1x. Um größere Verformungen zu ermöglichen, wurde die Trägheit der Struktur mithilfe eines zusätzlichen Gewichts am Ende der elastischen Platte erhöht. Weiterhin wurde der Einfluss der Zylinderlagerung untersucht. Für beide Konfigurationen (fixierter Zylinder und drehbar gelagerter Zylinder) wurden große Strukturverformungen im zweiten Schwingungsmodus festgestellt. Die ersten beiden Testreihen FSI-PfS-1x und 2x sind vornehmlich auf zweidimensionale Struktur- und Strömungsbewegungen beschränkt. Um eine dreidimensionale Testkonfiguration zu entwickeln, wurde der starre Zylinder durch einen starren Kegelstumpf ersetzt (FSI-PfS-3x). Wiederum wurde eine elastische Platte hinten am Kegel befestigt. Für die Strömung und die Strukturbewegung wurden quasi-periodische dreidimensionale Bewegungszustände im ersten Schwingungsmodus ermittelt. Der Aufbau von FSI-PfS-4x besteht aus einem langen elastischen Zylinder, welcher an einer Seite fest fixiert und an der gegenüberliegenden Seite freibeweglich ist. Optional wird der elastische Zylinder in einer Anordnung von starren Zylindern begrenzt. Die Querströmung verursacht große Strukturverformungen mit hohen Schwingungsfrequenzen des elastischen Zylinders. Die komplementären numerischen Untersuchungen wurden mit der Multi-Physik-Softwareumgebung von ANSYS 14.0 durchgeführt. Dabei wurde der Strömungslöser ANSYS CFX mit dem Strukturlöser ANSYS Mechanical gekoppelt. Aufgrund der vorliegenden turbulenten Strömung wurde ein RANS Turbulenzmodell verwendet. Die numerischen Untersuchungen konnten teilweise die experimentellen Systemzustände reproduzieren. Gerade die Simulation der zweidimensionalen Testfälle ergab gute Übereinstimmungen mit den experimentellen Daten. Für die dreidimensionalen Testfälle wurden aufgrund von Beschränkungen der Zellanzahl und unpassenden Randbedingungen für die Struktur teilweise unphysikalische Ergebnisse produziert.
Organization Units (connected with the publication): Mechanik 
DOI: https://doi.org/10.24405/534
URL: http://edoc.sub.uni-hamburg.de/hsu/volltexte/2015/3109/
Advisor: Breuer, Michael  
Grantor: HSU Hamburg
Type of thesis: Doctoral Thesis
Exam date: 2015-06-19
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