Sieber, Rolf (2002)
Numerische Simulation technischer Strömungen mit Fluid-Struktur-Kopplung.
Technische Universität Darmstadt
Ph.D. Thesis, Primary publication
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Einleitung, Grundlagen, Gitterbewegung, Ruehrtechnik Teil 1 -
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Ruehrtechnik Teil 2 -
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Ruehrtechnik Teil 3 -
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Ruehrtechnik Teil 4 -
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Ruehrtechnik Teil 5 -
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Rührtechnik Teil 6, Radioteleskop Teil 1 -
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Radioteleskop Teil 2, Fluegelradzaehler Teil 1 -
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Fluegelradzaehler Teil 2 -
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Fluegelradzaehler Teil 3 -
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Fluegelradzaehler Teil 4, Zusammenfassung -
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Item Type: | Ph.D. Thesis | ||||
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Type of entry: | Primary publication | ||||
Title: | Numerische Simulation technischer Strömungen mit Fluid-Struktur-Kopplung | ||||
Language: | German | ||||
Referees: | Tropea, Prof. Dr.- C. | ||||
Advisors: | Schäfer, Prof. Dr. Michael | ||||
Date: | 7 October 2002 | ||||
Place of Publication: | Darmstadt | ||||
Date of oral examination: | 15 January 2002 | ||||
Abstract: | In dieser Arbeit werden verschiedene technische Anwendungen mit einer Wechselwirkung zwischen Fluid und Festkörper vorgestellt. Es handelt sich dabei um die Strömungen in einem Wendel- und einem InterMIG-Rührer, die Unströmung eines Radioteleskops und die Fluidbewegung in einem Flügelradzähler. Die untersuchten Beispiele können nach der Art der Fluid-Struktur-Kopplung klassifiziert werden. In Rührtechnik findet eine Beeinflussung der Strömung durch einen sich bewegenden Festkörper statt, während der Festkörper selbst nicht gebremst oder deformiert wird. Für die Windlasten auf ein Radioteleskop gilt der umgekehrte Fall, da eine Strömung einen Festkörper entscheidend deformiert, aber selbst nicht verändert wird. Beim Flügelradzähler handelt es sich um eine Fluid-Struktur-Wechselwirkung, da das anströmende Fluid das Flügelrad in Rotation versetzt, die Strömung aber ihrerseits von der Stellung des Rotors abhängt. Im Fall der Rührtechnik und des Flügelradzählers liegen große Bewegungen des Festkörpers im Verhältnis zur Ausdehnung des Strömungsgebiets vor. Aus diesem Grund ist es notwendig das zur räumlichen Diskretisierung verwendete numerische Gitter des Strömungsgebiets an die neuen geometrischen Gegebenheiten anzupassen. Da es sich bei den Beispielen um eine Rotation des Festkörpers handelt kann sich das numerische Gitter mit dem rotierenden Körper drehen, während die anderen Gitterteile stehen bleiben. Die unterschiedlichen Gitterteile werden über ein Interface miteinander verbunden. Um die Verschiebung der Gitterteile zu berücksichtigen kommen spezielle Verfahren wie z. B. das Clicking-Mesh, das Deforming-Mesh oder das Sliding-Mesh-Verfahren zum Einsatz. Das Clicking-Mesh-Verfahren erlaubt das Verschieben zweier Gitterteile nur dann, wenn in der neuen Position wieder Gitterlinien aufeinander zu liegen kommen. Dies führt zu einer Kopplung von räumlicher und zeitlicher Diskretisierung. Das Deforming-Mesh-Verfahren ist eine Weiterführung des Clicking-Mesh und erlaubt jede beliebige Gitterposition. Die Gitterlinien am Interface werden gegebenenfalls so verzerrt, dass die Gitter wieder miteinander verbunden sind. Die Verzerrung der Kontrollvolumen führt zu zusätzlichen Fehlern in der berechneten Lösung. Das Sliding-Mesh-Verfahren ermöglicht ebenfalls eine beliebige Gitterposition, jedoch werden die Gitterlinien am Interface nicht verzerrt. Zum Aufstellen der diskreten Gleichungen am Interface werden die benötigten Nachbarwerte aus dem verschobenen Gitterteilen interpoliert. Aus diesem Grund entsteht für dieses Verfahren ebenfalls ein zusätzlicher Interpolationsfehler. Der Vergleich der Verfahren zeigte, dass die Clicking-Mesh-Methode den geringsten Fehler einträgt, jedoch aufgrund ihrer Raum-Zeit-Kopplung für viele technische Anwendungen nicht in Frage kommt. Das Sliding-Mesh-Verfahren hatte Vorteile gegenüber dem Deforming-Mesh-Verfahren aufgrund der kürzeren Rechenzeit und der kleineren eingetragenen Fehler. Zur Berechnung der Rührwerksströmungen wurde das Clicking-Mesh-Verfahren eingesetzt, da für diese Anwendungen eine konstante Rotationsgeschwindigkeit und damit ein konstanter Zeitschritt vorliegt. Für den Flügelradzähler mit seiner zeitlich abhängigen Rotationsgeschwindigkeit wurde das Sliding-Mesh-Verfahren verwendet. Die Simulation der Strömungen in den Rührkesseln wurde mit einem Strömungsberechnungsprogramm durchgeführt, welches auf einer Finiten-Volumen-Methode basiert. Zur Beurteilung der Ergebnisse wird die Newtonzahl berechnet und mit einer experimentell ermittelten Newtonzahl verglichen. Sowohl für den laminaren Wendelrührer als auch für den turbulenten InterMIG wurden sehr gute Übereinstimmungen erzielt. Nur die Modellierung der turbulenten Effekte des InterMIG-Rührwerks zeigten einige Schwächen des verwendeten RNG-Turbulenzmodells auf. Für die Berechnung der Windlasten auf ein Radioteleskop wurde das gleiche Berechnungsprogramm verwendet. Um die Deformationen des Parabolspiegels zu bestimmen wurde ein auf der Finiten-Element-Methode basierendes Struktursimulationsprogramm verwendet. Zur Validierung der numerischen Ergebnisse wurden experimentelle Untersuchungen an einem Windkanalmodell des Radioteleskops durchgeführt. Auch in diesem Fall zeigte sich, dass der Modellfehler des Turbulenzmodells die größte Fehlerquelle darstellt. Nach der Abschätzung des Fehlers wurden einige Anströmsituationen der Antenne berechnet und die Versagenswahrscheinlichkeit der Konstruktion untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass das Radioteleskop den vorgegebenen Windbelastungen stand hält und betriebsbereit bleibt. Der Flügelradzähler wurde mit einer zweidimensionalen Variante des Strömungsberechnungsprogramms berechnet. In das von dem Programm verwendete Druckkorrekturverfahren wurden zusätzliche Gleichungen implementiert, welche die Rotation des Flügelrads aus den Strömungskräften bestimmen sollten. Die Ergebnisse zeigen auch in diesem Fall, dass das Verhalten des Flügelrads mit guter Genauigkeit simuliert werden konnte. Insgesamt kann gesagt werden, dass die Anwendungsbeispiele mit Fluid-Struktur-Kopplung im Rahmen der Genauigkeit der Lösung der Teilprobleme berechnet werden konnten. Der Einsatz von Verfahren zur Gitterbewegung oder die Kopplung von strömungsmechanischen und strukturmechanischen Gleichungen in einem Algorithmus hatten hier keine entscheidenden Einfluss auf die Genauigkeit der erzielten Ergebnisse. |
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Alternative Abstract: |
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URN: | urn:nbn:de:tuda-tuprints-2616 | ||||
Classification DDC: | 600 Technology, medicine, applied sciences > 600 Technology | ||||
Divisions: | 16 Department of Mechanical Engineering | ||||
Date Deposited: | 17 Oct 2008 09:21 | ||||
Last Modified: | 08 Jul 2020 22:44 | ||||
URI: | https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/261 | ||||
PPN: | |||||
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