Aerodynamische Instabilitäten dünnwandiger Strukturen zur Nutzung bei neuartigen Energy Harvestern - numerische Simulationsmethode, physikalische Effekte und analytisches Modell

• Antragsteller: Professor Dr. Guido Morgenthal
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322178459

Aeroelastische Instabilitätsphänomene wie das Flattern haben für den Entwurf leichter Ingenieurkonstruktionen wie Tragflächen und Brücken erhebliche praktische Relevanz. Bei solchen linienförmigen Strukturen bleibt die Querschnittsgeometrie näherungsweise erhalten und ein Flattern soll ausgeschlossen werden. Neuartige Konzepte des Energy Harvestings basieren hingegen auf dem Energieertrag aus aeroelastisch instabil reagierenden sich verbiegenden dünnwandigen Strukturen. Diese auf eine geringe Einsetzgeschwindigkeit des Flatterns ausgelegten Strukturen weisen dabei große Verformungen des Querschnittes auf. Wesentliche Einflußfaktoren auf die dynamische Antwort sind atmosphärische Turbulenz sowie geometrische Nichtlinearitäten. Für eine praktische Anwendung als Harvester sind Einsetzgeschwindigkeit und Energieertrag sowie die Materialbeanspruchungen der Struktur von Interesse. Um die Wirkmechanismen der Fluid-Struktur Interaktion solcher und vieler ähnlicher Strukturen zu untersuchen, wesentliche Einflußparameter zu quantifizieren und gegebenenfalls eine Optimierung des Systems vornehmen zu können, sind entsprechende Analysemodelle erforderlich. Hier soll dazu eine numerische Simulationsmethode auf Basis von Vortex-Partikel-Methoden (VPM) entwickelt werden, die eine geometrisch nichtlineare strukturdynamische Finite-Elemente-Formulierung mit einer zu entwickelnden Erweiterung der Randelementemethode der VPM koppelt, die eine beliebig große Verformung der Oberflächengeometrie abbilden kann. Desweiteren werden aktuelle Entwicklungen zur Modellierung von in das Lösungsgebiet eingetragener atmosphärischer Turbulenz aufgegriffen und angewendet, um den Einfluß der Böigkeit des Windes auf die Strukturantwort zu simulieren. Die Methode wird allgemeingültig entwickelt und implementiert, so daß sie sich zum Beispiel auch auf die Untersuchung leichter Dachkonstruktionen anwenden läßt. Hier soll das Konzept eines neuartigen elektromagnetischen Energy Harvesters als Referenzobjekt dienen. Entsprechende Modelle werden zur Validierung der Simulationsmethode im Windkanal getestet, indem das dynamische Antwortverhalten der Struktur detailliert gemessen wird. Das validierte numerische Modell wird dann genutzt, um zu zeigen, daß wesentliche Aspekte der Effizienz des Harvesters und der Strukturbeanspruchungen quantifiziert werden können. Abschließend soll ein neues analytisches Modell zur Prognose der auf dünnwandige Strukturen wirkenden selbstinduzierten fluiddynamischen Kräfte entwickelt werden, welches das Konzept der Scanlan Derivativa erweitert. Dieses Modell soll vereinfachte analytische Stabilitätsuntersuchungen ermöglichen und damit als alternative Methode zur Betrachtung von Einflußgrößen auf das Systemverhalten dienen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen