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

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Ziel des Projekts war die Entwicklung einer Methodik zur effizienten Simulation und Analyse der Auswirkungen starker turbulenter Windböen auf flexible Strukturen. Für das Design und die 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 Windböen auf eine flexible Struktur treffen, wurde bisher jedoch kaum betrachtet. Daher war das Ziel des Projekts 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. Zu diesem Zweck wurden vier verschiedene Techniken zur Windböen-Modellierung analysiert/entwickelt und anhand verschiedener Anwendungsszenarien aus der Luftfahrt und dem Bauingenieurwesen ausführlich getestet, einschließlich vertikaler und horizontaler Windböen. Dadurch ist es nun sogar möglich, das Worst-Case-Szenario zu ermitteln.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A source-term formulation for injecting wind gusts in CFD simulations. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 207, 104405.
  De Nayer, G. & Breuer, M.
  
• Assessment of two wind gust injection methods: Field velocity vs. split velocity method. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 218, 104790.
  Boulbrachene, Khaled; De Nayer, Guillaume & Breuer, Michael
  
• Injection of wind gusts in large-eddy simulations, 13th Int. ERCOFTAC Symposium on Engineering, Turbulence, Modelling and Measurements: ETMM-13, Rhodes, Italy, Sept. 15–17, 2021. Online presentation, (no paper).
  De Nayer, G. & Breuer, M.:
  
• Assessment of discrete wind gust parameters: Towards the worst-case scenario of a FSI application in form of an inflated hemisphere. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 231, 105207.
  De Nayer, G. & Breuer, M.
  
• FSI simulations of wind gusts impacting an air-inflated flexible membrane at Re = 100,000. Journal of Fluids and Structures, 109, 103462.
  De Nayer, G.; Breuer, M. & Boulbrachene, K.
  
• Aeroelastic response of an elastically mounted 2-DOF airfoil and its gust-induced oscillations. Journal of Fluids and Structures, 117, 103828.
  Boulbrachene, K. & Breuer, M.
  
• Surrogate-based optimization for the worst-case prediction regarding a flexible structure impacted by wind gusts. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 243, 105610.
  De Nayer, G. & Breuer, M.
  
• Wind gust–induced flutter of an elastically mounted airfoil: A fluid– structure interaction study based on LES, 13th Int. ERCOFTAC Workshop on DNS and LES: DLES-13, Udine, Italy, Oct. 26–29, 2022. ERCOFTAC Series, vol. 31, Direct and Large–Eddy Simulation XIII, eds. C. Marchioli et al., ISBN 978–3–031–47027–1, Springer Nature Switzerland AG, (2024).
  Boulbrachene, K. & Breuer, M.