Motivation

Mit der Entwicklung sehr großer Flugzeuge, z.B. dem Airbus A3XX, wird die Aeroelastik und ihre Einbeziehung in die Entwurfsphase von immer größerer Bedeutung. Beispielhaft sei das Flatterverhalten der immer größer und flexibler werdenden Strukturen genannt, dessen möglichst genaue Beschreibung notwendig wird.

Darüberhinaus sind die Kosten ein entscheidender Faktor im Wettbewerb, damit einhergehend werden Rechnerleistung und Kapazität immer preiswerter, so daß ein Verringerung versuchstechnischen Aufwands durch Simulation einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil erbringen kann.

Unter diesen Gesichtspunkten wird die am HFI vorhandene, selbstentwickelte Software zur Strömungssimulation so erweitert werden, daß sie ebenfalls strukturmechanische Probleme lösen kann und diese in einem Lösungsschritt mit der Fluidmechanik behandelt. Dabei wird vorerst für 2D-Probleme im Rahmen des BRITE-EURAM Vorhabens UNSI eine iterative Kopplung mittels einer Methode für beide Problemfelder realisiert werden.

Methode

Fluid- und Strukturmechanik werden von denselben Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie bestimmt, in der Anwendung unterscheiden sich aber die Bestimmungsgleichnungen und angewendeten numerischen Lösungsverfahren bisher entscheidend. Zur Anwendung kommen sollen deshalb numerische Methoden zur simultanen Lösung aerodynamischer und elastischer Probleme mittels der Finite Volumen Methode (FVM) bei strukturierten Gittern aus mehreren Blöcken mit unstrukturierten Blockverbindungsflächen. Bewegte Gitter werden so eingeführt, daß das Space Conservation Law (SCL) eingehalten wird. Daß die Finite Volumen Methode zur Lösung strukturmechanischer Probleme herangezogen werden kann, ist bereits gezeigt worden [1,2,3].

Das am HFI entwickelte Softwarepaket basiert auf der Finiten-Volumen-Methode. Das Verfahren ist implizit von zweiter Ordnung und arbeitet semi block strukturiert auf der Basis allgemein krummliniger Koordinaten, wodurch die Erfassung komplexer Geometrien mit bewegten Gittern und lokale Gitterverfeinerungen problemlos sind. Die kartesischen Tensorkomponenten sowie alle skalaren Variablen werden in den Kontrollvolumenzentren gespeichert. Die diffusiven Terme werden mit Zentraldifferenzen und die konvektiven Glieder mit monotonen, limitierten Ansätzen höherer Ordnung approximiert. Alle Gleichungen werden sequentiell nacheinander gelöst, wobei die Kontinuitätsgleichung durch eine Druckkorrektur nach Art des SIMPLE Algorithmus erfüllt wird.

Ergebnisse

Die ersten Ergebnisse gekoppelter Probleme im Rahmen von UNSI sind mit einem biegeschlaffen aber dehnstarrem 2D-Segel erreicht worden [4], das zur Berechnung der Segelform als eine Kette modelliert worden ist.


Laufende Projekte

Im Rahmen eines DFG-Projektes (TH 288/29-2) werden aktuell auch Strömungsvorgänge in Tierlungen untersucht.
Protektive Beatmung , Quantitative Analyse der Totraumventilation in Tiermodellen des akuten Lungenschadens.

Im Rahmen eines deutsch-französischen Projektes der TU Berlin mit Aix-Marseille Université wird die Aerodynamik von fliegenden Insekten erfoscht.
Numerische Simulation des Insektenflugs.

Literaturnachweis

[1] Bunge, U:  Die Behandlung der Strukturmechanik mittels der FV-Methode, Institutsbericht 01/99, Hermann-Föttinger Institut, TU Berlin, April 1999
[2] Demirdzic, I.; Muzaferija, S.:  Finite Volume Method for Stress Analysis in Complex Domains, Int. J. f. Num. M. in Eng., Vol. 37, 1994
[3] Demirdzic, I.; Muzaferija, S.:  Numerical Method for Coupled Fluid Flow, Heat Transfer and Stress Analysis using Unstructured Moving Meshes with Cells of Arbitrary Topology, Comput. Methods Appl. Mech. Engrg., Vol. 125, 1995, pp. 235-255
[4] Bunge, U.; Rung, T.; Thiele, F.:  A two-dimensional sail in turbulent flow, Fluid Strucrure Interaction, Chakrabarti, S. K.; Brebbia, C. A. (Eds.), pp. 245-254, Series: Advances in Fluid Mechanics, Vol. 30, WIT Press, Southampton, Boston, 2001, ISBN 1-85312-881-3, presented by Bunge, U. on Fluid Strucrure Interaction 2001 in Chalkidiki, Greece, September 2001


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Last modified: Thu Nov 1 15:34:44 CET 2001