Grundlagenforschung zur aeroelastischen Stabilität zylindrischer Hochbauten | Staufenbiel.de

Grundlagenforschung zur aeroelastischen Stabilität zylindrischer Hochbauten

Göttingen

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Ihre Mission:

Hochbauten mit Kreiszylinder-Querschnitt können durch Windanströmung zu elastischen Schwingungen großer Amplitude angeregt werden, die mit der periodischen Wirbelablösung im Nachlauf zusammenhängen (Kármánsche Wirbelstraße). Dies kann z.B. beim Aufbau heute typischer Windenergieanlagen eine aufwändige Seilabspannung nötig machen. Alternativ besteht die Möglichkeit den Zylinderquerschnitt deutlich kostengünstiger mittels sog. Scruton-Wendeln o.ä. dünnwandiger Anbauten zu modifizieren.

Die Modellbildung bzgl. Zylinderströmungen mit periodischer Wirbelablösung erfolgt in der Regel zunächst unter Annahme zeitlich unveränderlicher Strömungsberandung. Die resultierenden instationären Lasten werden in einem zweiten Schritt  der elastischen Struktur aufgeprägt und die Antwortamplitude unter Hinzunahme der bewegungsinduzierten Luftkräfte prognostiziert. Neuere Ergebnisse im Zusammenhang mit ähnlichen Strömungsinstabilitäten an Transportflugzeugflügeln (sog. Shock Buffet) zeigen jedoch, dass die Elastizität der Strömungsberandung schon im ersten Schritt nicht vernachlässigt werden darf und die Behandlung wirbelinduzierter Strukturschwingungen als reines Antwortproblem u.U. zu kurz greift. Stattdessen muss das gekoppelte System aus Fluid und Struktur einer globalen Stabilitätsanalyse unterzogen werden, bei der sich die strömungsinduzierte Zylinderschwingung als exponentiell aufklingendes Flattern mit anschließendem Übergang in eine nichtlineare Grenzzyklusschwingung (LCO) verstehen lässt.

Im Rahmen dieser Studien- oder Abschlussarbeit sollen mittels instationärer CFD-Simulationen (RANS) verschiedene, repräsentative Zylindergeometrien untersucht werden. Unter Hinzunahme generischer Strukturmodelle sind anschließend Aussagen zum Flatter- und LCO-Verhalten abzuleiten. Von besonderem Interesse ist dabei die Auswirkung geometrischer Modifikationen auf die erzielbare Restdämpfung (im stabilen Verfall) bzw. die Grenzzyklus-Amplitude (im instabilen Fall).

Die Arbeit beinhaltet folgende Tätigkeiten:

  • Literaturstudie und Einarbeitung in die Themen Wirbelablösung, Flattern und LCO
  • Auswahl und Parametrisierung geeigneter Geometrie-Modifikationen (z.B. Scruton-Wendeln)
  • Aufbau von robusten 2-d und 3-d CFD-Modellen (automatisierte Netzgenerierung, Konvergenzstudien)
  • Durchführung von Parameterstudien unter Einbeziehung verschiedender Turbulenzmodelle
  • Kopplung mit generischen Strukturmodellen und Durchführung von linearisierten Flatteranalysen
  • Studie des Einflusses der Zylinderschwingungsamplitude
  • Durchführung ausgewählter Fluid-Struktur-gekoppelter Zeitbereichssimulationen

Ihre Qualifikation:

  • laufendes Masterstudium Bauingenieurwesen, Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt, Physik oder vergleichbare Fachrichtung
  • erste Kenntnisse im Bereich der Strömungsmechanik und der numerischen Strömungssimulation
  • grundlegende Programmierkenntnisse in Matlab und/oder Python

Ihr Start:

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