Numerische Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion eines elastisch aufgehängten, starren Zylinders

Abstract

Der Inhalt dieser Arbeit ist die Implementierung und die Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) eines starren elastisch aufgehängten Körpers. Der Struktur-Löser (CSD) ist für einen starren Körper mit sechs Freiheitsgraden konzipiert. Die Aufhängung des Körpers geschieht über ein Feder-Dämpfer-System für jeden einzelnen Freiheitsgrad. Es wird viskose Dämpfung und ein lineares Federgesetz angenommen. Die Zeitintegration geschieht mittels Newmark- und Generalized- -Verfahren im CSD-Löser. Die Strömungssimulation wird mit dem hauseigenen Finite-Volumen-Code FASTEST-3D durchgeführt, in den der neue CSD-Löser direkt implementiert wird. Die Zeitintegration wird im CFD-Löser mit einem expliziten Dreischritt Runge-Kutta-Verfahren realisiert. Zur räumlichen Diskretisierung werden die zentralen Differenzen verwendet. Die Druckkopplung beruht auf einem Prädiktor-Korrektor Verfahren. Die Berechnungen finden im laminaren und turbulenten Regime statt. Die Turbulenz wird mit dem Large-Eddy-Simulations-Modell (LES) nach Smagorinsky modelliert. CFD- und CSD-Löser werden separat und gekoppelt getestet. Für die Rotationen werden Quaternionen im CSD-Löser verwendet, welche auch einzelnd getestet werden. Zur Validierung der Arbitrary-Lagrangian-Eulerian-Methode des CFD-Lösers wird der Testfall des querangeströmten, festen und angetriebenen Zylinders verwendet. Der frei bewegliche Zylinder dient der Validierung, der gekoppelten Simulation mit CFD- und CSD-Löser.