Numerische Simulation technischer Strömungen mit Fluid-Struktur-Kopplung

Sieber, Rolf (2002)
Numerische Simulation technischer Strömungen mit Fluid-Struktur-Kopplung.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

URL / URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2616

Kurzbeschreibung (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.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2002

Autor(en):

Sieber, Rolf

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Numerische Simulation technischer Strömungen mit Fluid-Struktur-Kopplung

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Tropea, Prof. Dr.- C.

Berater:

Schäfer, Prof. Dr. Michael

Publikationsjahr:

7 Oktober 2002

Ort:

Darmstadt

Verlag:

Technische Universität

Datum der mündlichen Prüfung:

15 Januar 2002

URL / URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-2616

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

The development of numerical codes for computational fluid dynamics (CFD) and computational structural mechanics (CSM) happens rather independent from each other. However, many technical applications are only describable by taking into account the solid and fluid mechanics simultaneously. Therefore, one of the present challenges of numeric is to couple the equations of solid and fluid mechanics. For the prescription of the coupling, it is necessary to understand the mechanism in which way the fluid effects the solid and contrariwise, as well as, how it is possible to model these effects numerically. In the case of a fluid effecting a solid body the applied forces (shear and pressure) lead to a deformation of the structure (e. g. flow around buildings). This rises to a standard problem of CSM. As a technical example the flow around and the deformation of a parabola antenna are presented. In the case of a solid body effecting the flow, represented in this work by a spiral and an InterMIG stirrer, it is more complicated. The deformation or the movement of the solid body leads to a change of the geometry of the fluid domain. This geometrical change leads to a change in the flow behaviour. The case of a fluid-structure-interaction, where both coupling mechanisms exist are represented by a flow meter. From the numerical point of view, it is necessary to update the numerical grid in a suitable way and to formulate the Navier-Stokes equations correspondingly. It is possible to classify these coupled fluid-structure problems into three categories. The first one is, that the deformation or movement of the solid part is so small, that the flow is not crucially effected. This is the easiest case, since no additional grid updates or changes in the Navier-Stokes equations are necessary. The second one is, when the deformation or movement happens in a medium way. This means, that it is possible to update the grid through distortion of grid cells. Then it is necessary, to take the space conservation law into account for the flow equations. And the last one is, that the movement of the solid body becomes so big that it is necessary to re-mesh the computational domain of the fluid. A scheme to solve the problem of the last category is, to define different grid parts which are moving together with the solid object. If the different grid parts move against each other in a periodic or otherwise defined way, it is possible to define an interface between the grid parts and couple them in a suitable manner. This kind of schemes are investigated in this work. It discusses the clicking mesh, deforming mesh and sliding mesh schemes and compares them among each other with regard to accuracy and efficiency. The comparison is done on the base of the flow between two concentric cylinders, where the inner cylinder is rotating against the outer one. It turns out, that the clicking mesh method has the smallest error, however, due to the coupling of spatial and time discretization it is not useable for many technical applications. The sliding mesh and the deforming mesh scheme have no limitation because of such kind of coupling. But the sliding mesh method shows higher efficiency compared to the deforming mesh scheme. So the prediction of the flow field of the two stirrers is done with the clicking mesh method, therefore the flow meter is calculated with the sliding mesh scheme. The simulations are done with the CFD code FASTEST, which bases on the finite volume method. The judgement of the quality of the predictions is done through a comparison of the computed and an experimental determined Newton number. For the laminar spiral stirrer as well as for the turbulent InterMIG stirrer a good agreement of experiment and numeric is achieved. However, some weaknesses are found in the modeling of the turbulent effects of the InterMIG stirrer. The predictions of the wind field around the radio telescope are also done with same CFD code. The additional structural mechanical computations of the deformation of the dish are done with the FEM code ANSYS. Also in this case it can be seen that the major error of the prediction is founded in the turbulence modeling. After the estimation of the numerical error a few wind situations on the antenna are predicted and the resulting deformations of the dish are computed. It turns out, that the construction of the antenna can stand the wind loads. Finally, the flow through a flow meter is computed. For this simulation a 2-d variant of the CFD code was used. Into the SIMPLE algorithm of the code an additional equation is implemented to determine the rotational acceleration and speed of the impeller due to the fluid mechanical forces. These results also show a high accuracy of the numerical prediction of the impeller rotation. Finally, one can say, that all applications with a fluid-structure-coupling are computed with the accuracy of the solutions of each sub-problem. The use of schemes for a dynamic movement of the different numerical grid parts has no significant effect on the accuracy of the common solution.

Englisch

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

16 Fachbereich Maschinenbau

Hinterlegungsdatum:

17 Okt 2008 09:21

Letzte Änderung:

05 Mär 2013 09:24

PPN:

Referenten:

Tropea, Prof. Dr.- C.