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