Turbulente Windböen und ihre dynamischen Effekte auf flexible Strukturen: Modellierung und hochauflösende Simulationen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Breuer
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435252632

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Methodik zur effizienten Simulation und Analyse der Auswirkungen starker turbulenter Windböen auf flexible Strukturen. Für das Design unddie Dimensionierung von solchen Leichtbaukonstruktionen ist die hochgradig dynamische Wechselwirkung zwischen eher seltenen, aber sehr starken Böen und der Struktur der entscheidende Faktor für dessen Stabilität und Standfestigkeit. Verglichen mit diesen extremen Belastungen sind Strömungsfälle, die durch klassische atmosphärische turbulente Grenzschichten beschrieben werden, für die Dimensionierung und Haltbarkeit von geringer Bedeutung. Für das letztere Szenario wurden in den letzten Jahren große Anstrengungen unternommen, um gekoppelte Simulationswerkzeuge für Fluid-Struktur Interaktionen (FSI) zu entwickeln, mit denen die Wechselwirkungen flexibler Strukturen mit turbulenten Strömungen untersucht werden können. Der Fall mit Extrembelastungen, bei dem einzelne oder mehrere Windböen auf eine flexible Struktur treffen, wurde bisher jedoch kaum betrachtet. Der Projektvorschlag zielt darauf ab, zur Schließung dieser Lücke beizutragen, indem eine Simulationsstrategie entwickelt wird, mit der solche gekoppelten und hochgradig dynamischen physikalischen Prozesse auf effiziente Weise angegangen werden können. Die betrachteten Längen-und Zeitskalen sind auf lokale Ereignisse in der Mikroskala beschränkt.Die Hauptziele und die resultierenden Vorteile sind: - Die Entwicklung einer Methodik, die einzelne Windböen oder eine Reihe solcher Ereignisse im Simulationsgebiet in der Nähe des Objekts erzeugt und geeignet einbringt. Bei der Konzeption der Methodik sollte besonders der Rückkopplungseffekt der Struktur und die daraus resultierende turbulente Strömung auf die Windböe selbst berücksichtigt werden. Dies ist für hochgradig turbulente Strömungen und deren Vorhersage mittels Large-Eddy Simulationen (LES) von großerBedeutung.- Beschreibung realistischerer Windböen unter Berücksichtigung der turbulenten Strömung und damit nicht nur der charakteristischen Längen- und Zeitskalen der Böe, sondern auch der charakteristischen Skalen der turbulenten Grenzschicht- Die Anwendung von wirbelauflösenden Verfahren (LES) anstelle von häufig verwendeten reibungsfreien oder RANS-basierten Vorhersagen, um unter Berücksichtigung aller relevanten räumlichen und zeitlichen Skalen zuverlässigere Resultate zu erzielen. Ferner ist wichtig, anstelle von Integralgrößen (Auftriebs- oder Widerstandskoeffizient), die aus den turbulenten Windböen resultierenden lokalen Belastungen auf die umströmte Struktur zu berücksichtigen.- Die Erweiterung hin zu gekoppelten FSI-Simulationen für Leichtbaustrukturen unter der Belastung durch Windböen. Dieser Fall wurde bisher im Bauingenieurwesen nicht untersucht, istjedoch maßgeblich für die Bestimmung möglicher Schädigungen der Struktur.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Guillaume De Nayer