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

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen in OpenFOAMR 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 OpenFOAMR wurden zweidimensional durchgeführt. Änderungen entlang der Zylinderachse wurden vernachlässigt. Für die Strömungsberechnung wurde das k-[epsilon]-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 OpenFOAMR 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, wurde 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-[epsilon]-Modell mit einer Wandmodellierung verwendet wurde. Der FSI-Löser liefert mit den verwendeten Einstellungen genaue Ergebnisse und kann als validiert betrachtet werden.

"The aim of this work was to validate a fluid-structure interaction (FSI) solver implemented in OpenFOAMR extend. To validate the solver, a reference case known from the literature, for which experimental comparison data exists, was simulated. This reference case is a rigid cylinder in a flow channel with a flexible plastic plate attached to its rear. Water flows around this structure, causing the plastic plate to vibrate. The calculations in OpenFOAMR were performed two-dimensionally. Changes along the cylinder axis were neglected. The k-e turbulence model was used for the flow calculation, with the walls modeled using wall functions. The partitioned FSI solver used relies on existing solvers in OpenFOAMR to calculate the flow and structure subdomains. Therefore, in a first step, the two subsolvers were validated separately, without coupling. To validate the partial solvers, reference cases from the literature with similar geometries and boundary conditions to the FSI case were also used. The structural solver yielded very good results; the displacements and the vibration frequency deviated by only about 1% from the given reference values. The flow solver accurately reproduced the velocity field of the reference case. The drag (+4.2%), the lift coefficient (+20%), and the Strouhal number (+6.9%) were all slightly elevated. Subsequently, the coupled case was considered. The velocity profile, the plate displacement, and the plate vibration frequency were compared with the experimental data. The velocity profile within the flow domain was accurately predicted. The amplitude of the plate displacement was increased by 16.7%. The plate vibration frequency was predicted 2.4% too high. These elevated values are due to the lift coefficient and Strouhal number already being overestimated in the pure flow case. The coupling process of the FSI solver works very well, and if the pure flow calculation were improved by another solver, the result in the coupled case would likely also improve. Despite minor deviations, the results agree well with the experimental data, especially since the k-[epsilon] model with wall modeling was used for computation time reasons. With the settings used, the FSI solver delivers accurate results and can be considered validated."

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2016, Braunschweig

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2016

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 11 Seiten

urn:nbn:de:101:1-201610283517

FSI, Simulation

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28.10.2016