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Fluid-Struktur-Interaktion

Einsatzgebiete

    • Turbomaschinen
    • Windenergieanlagen

    Beschreibung

    Das Ziel einer Fluid-Struktur-Interaktionssimulation (FSI) ist die Berechnung der Wechselwirkungen zwischen den angreifenden aerodynamischen Kräften sowie der Trägheit und den elastischen Kräften einer umströmten Struktur.

    In der reinen Strömungssimulation wird die umströmte Struktur als starr angenommen. Dies stellt jedoch eine Vereinfachung der Physik dar, denn die Strömungskräfte können sehr wohl Verformungen bzw. Bewegungen der Struktur verursachen, während die Verformungen wiederum das Strömungsfeld und damit die Strömungskräfte beeinflussen. Durch diese Wechselwirkungen kann es unter bestimmten Voraussetzungen zu sogenannten aeroelastischen Instabilitäten kommen, die zu Bauteilbeschädigungen oder gar Bauteilversagen führen. Aeroelastische Phänomene müssen u.a. bei der Auslegung von Turbomaschinen und Windenergieanlagen berücksichtigt werden.

    Die Strömungsfelder in Turbomaschinen sind inhärent instationär und induzieren somit hohe Wechsellasten auf den Oberflächen von Turbinen- und Verdichterschaufeln, was schließlich zu Bauteilversagen durch Dauerschwingbruch führen kann. Darüber hinaus können neben erzwungenen Schwingungen (Forced Response) durch Nachläufe oder Potentialwirkung auch selbsterregte Schwingungen (z.B. Flutter) auftreten. 

    Bei Windenergieanlagen wird das aeroelastische Verhalten, neben den reinen Wechselwirkungen zwischen den aerodynamischen Kräften und der elastischen Struktur, zusätzlich durch die Pitch- und Generatorregelung beeinflusst. Bei der Auslegung von Windenergieanlagen ist es daher von besonderer Bedeutung, aeroelastische Effekte zu berücksichtigen, die aus der Kopplung der einzelnen Komponenten der Gesamtanlage resultieren. Solche Effekte sind zum Beispiel die Kopplung der Torsion des Triebstranges mit der Schwenkbiegung der Blätter oder die Kopplung der Turmbiegung mit der Schlagbiegung des Rotors. Aeroelastische Instabilitäten, die potenziell bei modernen Windenergieanlagen auftreten können, sind unter anderem durch Ablösung induzierte Schwingungen (engl. stall induced vibrations, stall flutter), klassisches Flattern (engl. classical flutter) oder auch Instabilitäten der Schwenkbiegemoden der Rotorblätter und der seitlichen Turmbiegemode.

    Zur Simulation der zuvor beschriebenen Phänomene stehen am TFD für Turbomaschinen und Windenergieanalgen verschiedene Methoden zur Verfügung. Diese umfassen sowohl Verfahren zur Simulation im Zeitbereich als auch lineare und nichtlineare Verfahren im Frequenzbereich.

     

    Softwarepakete

    • ANSYS CFX

      Ist ein kommerzieller Strömungslöser für stationäre und instationäre Strömungen (Finite-Volumen-Verfahren)

    • ANSYS Classic

      Ist ein kommerzieller Finite-Elemente-Löser für Strukturmechanik 

    • linearTRACE (Turbomachinery Research Aerodynamic Computational Environment, DLR)

      Hierbei handelt es sich um ein zeit-linearisiertes Finite-Volumen-Verfahren, das turbomaschinenspezifische aeroelastische Problemstellungen im Frequenzbereich löst.

    • SIMPACK

      Ist eine kommerzielle Mehrkörpersystem-Simulationssoftware, die zur Simulation von Windenergieanlagen u.a. mit dem Aerodynamik-Code AeroDyn gekoppelt werden kann. AeroDyn basiert auf der Blattelement Momentum (BEM) Theorie und wurde am US National Renewable Energy Laboratory (NREL) entwickelt. 

    • FAST

      FAST (Fatigue, Aerodynamics, Structures, and Turbulence) ist eine integrierte Aeroelastik-Software für Windenergieanlagen, die am US National Renewable Energy Laboratory (NREL) entwickelt wurde. Diese koppelt den BEM-Code AeroDyn (s.o.) mit einer Modal- und Mehrkörpersystemformulierung für die Strukturdynamik der Anlage. FAST ermöglicht sowohl Simulationen im Zeitbereich, als auch die Linearisierung eines nicht-linearen aeroelastischen Windenergieanlagenmodells.

    Ansprechpartner

    Dipl.-Ing. Christopher Meinzer (Turbomaschinen)

    Dipl.-Wirtsch.-Ing. Benedikt Ernst (Windenergieanlagen)