Computational Fluid Dynamics, Detached-Eddy Simulation, Numerik, Strömungssimulation, Fluid-Struktur-Wechselwirkung

Auf der Seite der Strömungsmechanik haben sich die Löser auf der Basis der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes Gleichungen als die effizientesten zur Vorhersage einfacherer und in der Regel stationärer Zustände herausgestellt. Ihr Einsatz für instationäre Strömungen, die bei interdisziplinären Problemstellungen häufiger vorkommen, ist jedoch auf Grund des hinlänglich bekannten Problems der möglichen Frequenzüberlappung zwischen modellierten turbulenten und numerisch mit dem Zeitschritt aufgelösten Frequenzen umstritten, so dass hybride Verfahren, wie z.B. die Detached-Eddy Simulation, angewendet werden müssen. Eine Large-Eddy Simulation kommt in der Regel nicht in Betracht, weil der Aufwand an Rechenzeit bei typischen Reynoldszahlen technischer Anwendungsfälle zu groß ist. Für die Lösung von Problemen aus dem Bereich der Fluid-Struktur-Wechselwirkung ist die Instationarität eines Vorganges in der Regel zwingend zu berücksichtigen.
Ziel dieser Arbeit ist die Vorbereitung und Erweiterung eines vorhandenen und bekannten Strömungslösers auf die Simulation instationärer Strömungen mittels Detached-Eddy Simulation auf der Basis unterschiedlicher, insbesondere höherwertiger Turbulenzmodelle. Darüberhinaus besteht das Ziel der Simulation ausgewählter Problemstellungen aus dem Gebiet der Wechselwirkung von Fluid und Struktur, wobei Detailuntersuchungen, falls notwendig, mit der Detached-Eddy Simulation durchgeführt werden sollen.Der vorhandene Strömungslöser ermöglicht es, sowohl Large-Eddy Simulationen als auch Simulationen auf der Basis der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes Gleichungen durchzuführen, so dass die Basis für hybride Verfahren bereits vorhanden ist. Aus der Zielvorgabe ergibt sich die Notwendigkeit der Umformulierung und Implementierung aller Transportgleichungen in eine beliebige Euler-Lagrange Form, die Implementierung eines Gitterverformungsalgorithmus und die Realisierung einer Kopplung zwischen Strömung und Struktur. Alle benötigen Grundlagen sowie das numerische Verfahren werden aussführlich erläutert und die durchgeführten Erweiterungen oder Entwicklungen sorgfältig validiert. Ausgewählte Anwendungen, teilweise mit eigens entwickelten, einfachen Modellen auf der Seite der Strukturmechanik, bestätigen die Einsetzbarkeit des Verfahrens, zeigen aber auch Grenzen einzelner Modellierungsansätze auf. Deshalb werden abschließend klare allgemeine und spezielle Empfehlungen zur weiteren Entwicklung des Programmpaketes gegeben und offene Fragen identifiziert.

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