Ein explizites Modell für die Fluid-Struktur-Interaktion basierend auf LBM und p-FEM

Geller, Sebastian

Die Arbeit beschäftigt sich mit der partitionierten Kopplung von zwei effizienten Lösern zur Simulation von Fluid-Struktur-Interaktionsproblemen. Auf der einen Seite ist dies der Lattice-Boltzmann-basierende Fluidlöser VirtualFluids und auf der anderen Seite der Finite-Elemente-Strukturlöser höherer Ordnung AdhoC. Anhand eines Benchmarks für poröse Medien wurde die Leistungsfähigkeit des LB-Ansatzes aufgezeigt. Die hohe Effizienz des Lösers motivierte die Untersuchung hinsichtlich einer Fluid-Struktur-Kopplung. In dieser Arbeit ist es gelungen, ein explizites Kopplungsschema zu entwickeln. Dieses wird durch die schwach kompressible Formulierung der notwendigen Gleichungen ermöglicht. Notwendige Kraftinterpolationsverfahren wurden auf der Fluidseite entwickelt. Die sehr anspruchsvolle Behandlung von bewegten Geometrien auf quadtree/octreeartigen Gittern war eine Herausforderung des entwickelten Gittergenerators. Ein numerischer und ein experimenteller Benchmark, initiiert von der DFG-Forschergruppe 493, wurden ausführlich in 2-D validiert. Die übereinstimmenden Ergebnisse mit anderen Simulationscodes zeigten, dass die Simulationen mit dem expliziten Kopplungsschema durchgeführt werden können. Für die dreidimensionale Fluid-Struktur-Interaktion führten die Testfälle einer in einem Rohr sinkenden Kugel und eine längsangeströmte Rechteckplatte zu guten Resultaten. Hierbei ist die Berechnungseffizienz der gekoppelten Simulation im Vergleich zu anderen impliziten Verfahren hervorzuheben. Der letzte Teil der Arbeit beschreibt die flexible Softwarearchitektur des VirtualFluids-Strömungslösers, die auch für weitere physikalische Problemstellungen und eine interaktive Bedienung der laufenden Simulation entwickelt wurde. Für den Anspruch Adaptivität, Parallelisierung und wissenschaftliche Visualisierung in einer Simulationsumgebung zu vereinen, ist der gezeigte Ansatz vielversprechend.

This work deals with the partitioned coupling of two efficient solvers for the simulation of fluid-structure-interaction problems. The fluid solver VirtualFluids, based on the Lattice-Boltzmann method, and the high order finite element structural solver AdhoC are used. Based on a benchmark for porous media, the efficiency of the LB approach was shown. The high efficiency has further motivated the development of the fluid-structure coupling approach. In this work we succeessfully developed an explicit coupling scheme. This is possible due to the weakly compressible form of the governing equations. Force interpolation rules have been developed on the fluid side. Moreover, the handling of moveable geometries on quadtree/octree-typed grids was a major challenge for the grid generator. In two dimensions, a numerical and an experimental benchmark, initiated from the DFG Research Unit 493, were validated in detail. The results agreed well with other simulation codes and showed that the simulation can be done with an explicit coupling scheme. For the three dimensional fluid-structure interaction, a sinking sphere in a pipe and a rectangular plate in a cross flow leads to good results. For all of the examined test cases, the high computational efficiency of the coupled simulation in comparison to implicit methods has to be pointed out. The last part of this work describes the flexible software concept of the flow solver VirtualFluids, which is the basis for further physical problem definitions and an interactive handling of the running simulation. The presented software concept has shown to be capable of combining adaptivity, parallelization and scientific visualization in one simulation environment.

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Geller, Sebastian: Ein explizites Modell für die Fluid-Struktur-Interaktion basierend auf LBM und p-FEM. 2010.

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