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Untersuchung eines Fluid-Struktur-Interaktion Referenzfalls mittels OpenFOAM extend

Untersuchung eines Fluid-Struktur-Interaktion Referenzfalls mittels OpenFOAM extend
Tagung:

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2016

Links:Deutsche Nationalbibliothek
Tagungsort:

Braunschweig, Deutschland

Datum:

13.09.2016 - 15.09.2016

Autoren:

Fischer, B.
Beermann, L.
Höfler, C.
Bauer, H.-J. 

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen in OpenFOAM® extend implementierten Fluid-Struktur-Interaktions-Löser (FSI-Löser) zu validieren. Zur Validierung des Lösers wurde ein aus der Literatur bekannter Referenzfall simuliert, für welchen es experimentelle Vergleichsdaten gibt. Bei diesem Referenzfall handelt es sich um einen starren Zylinder in einem Strömungskanal, an dessen Rückseite eine flexible Kunststoffplatte angebracht ist. Diese Struktur wird von Wasser umströmt, wodurch die Kunststoffplatte in Schwingung versetzt wird.

Die Berechnungen in OpenFOAM® wurden zweidimensional durchgeführt. Änderungen entlang der Zylinderachse wurden vernachlässigt. Für die Strömungsberechnung wurde das k-ε-Turbulenzmodell verwendet, wobei die Wände mit Wandfunktionen modelliert wurden. Der verwendete partitionierte FSI-Löser greift zur Berechnung der Teilgebiete Strömung und Struktur auf bereits vorhandene Löser in OpenFOAM® zurück. Daher wurden in einem ersten Schritt die beiden Teillöser separat, ohne Kopplung validiert. Zur Validierung der Teillöser wurden ebenfalls Referenzfälle aus der Literatur mit ähnlichen Geometrien und Randbedingungen wie im FSI-Fall herangezogen. Der Strukturlöser lieferte sehr gut übereinstimmende Ergebnisse, die Verschiebungen und die Schwingungsfrequenz wichen nur um etwa 1 % von den gegebenen Referenzwerten ab.

Der Strömungslöser bildet das Geschwindigkeitsfeld des Referenzfalls sehr gut ab. Der Strömungswiderstand (+4,2 %), der Auftriebsbeiwert (+20 %) und die Strouhalzahl (+6,9 %) waren alle etwas erhöht.

Daraufhin wurde der gekoppelte Fall betrachtet. Es wurde das Geschwindigkeitsprofil, die Plattenauslenkung und die Frequenz der Plattenschwingung mit den experimentellen Daten verglichen. Das Geschwindigkeitsprofil im Inneren des Strömungsgebietes wurde gut getroffen. Die Amplitude der Plattenauslenkung ist um 16,7 % erhöht. Die Plattenschwingungsfrequenz wurde um 2,4 % zu schnell vorhergesagt. Diese erhöhten Werte liegen an den bereits im reinen Strömungsfall zu hoch vorhergesagten Werten von Auftriebsbeiwert und Strouhalzahl. Der Kopplungsprozess des FSI-Lösers funktioniert sehr gut und bei einer Verbesserung der reinen Strömungsberechnung durch einen anderen Löser, würde sich vermutlich auch das Ergebnis im gekoppelten Fall verbessern.

Die Ergebnisse stimmen trotz kleiner Abweichungen gut mit den experimentellen Daten überein. Insbesondere da aus Rechenzeitgründen das k-ε-Modell mit einer Wandmodellierung verwendet wurde. Der FSI-Löser liefert mit den verwendeten Einstellungen genaue Ergebnisse und kann als validiert betrachtet werden.