Numerische Analyse von Bauwerk-Wind-Wechselwirkungen mit RANS-Turbulenzmodellen

Alfarra, Anas

Zur Untersuchung aeroelastischer Instabilitäten von Bauwerken wird ein monolithische Berechnungsmodell für die Fluid-Struktur-Wechselwirkungen um leistungsfähige Turbulenzmodelle erweitert, validiert und angewendet. Das Schwingungsverhalten der Struktur wird mit der geometrisch nichtlinearen lastizitätstheorie modelliert. Die statistische Beschreibung turbulenter Strömungen mittels Reynolds-Gleichungen in Verbindung mit Turbulenzmodellen bietet einen attraktiven Modellierungsansatz des Windes an. Die Transportgleichungen der Reynoldsspannungen und der anderen Turbulenzgrößen werden aus den Navier-Stokes-Gleichungen hergeleitet, um die getroffenen Modellierungsannahmen der unterschiedlichen Klassen von Turbulenzmodellen zu klären. Die Kopplung der Modellgleichungen beider Kontinua erfolgt mit den Kopplungsbedingungen für die Geschwindigkeiten und die Randspannungen. Dazu wird die geometrische Kontinuität zwischen den beiden Kontinua gefordert. Die gekoppelten Modellgleichungen werden numerisch im Rahmen einer zeitdiskontinuierlichen Galerkin-Formulierung mit der Raum-Zeit-Finite-Element-Methode diskretisiert und simultan gelöst. Die Turbulenzmodelle werden auf ihre Eignung zur Erfassung der komplexen Turbulenzstrukturen untersucht, die in der Aeroelastik stumpfer Körper zu erwarten sind. Dies erfolgt anhand experimentell untersuchter Strömungssituationen mit steigender Komplexität. Die Ermittlung der strömungsmechanischen Eigenschaften von Grenzschichten über ebene Platten und in Kanälen gehört zur grundlegenden Untersuchung. Die Vorhersagefähigkeit der Ablösung und des Wiederanlegens von Scherschichten wird anhand der Strömung über rückwärtsgerichtete Stufen überprüft. Mit der Strömung um einen quadratischen Querschnitt wird die Leistungsfähigkeit der Modelle bei Reynolds-Zahlabhängigen Strömungsinstabilitäten überprüft. Abschließend zeigen die Anwendungsbeispiele die Anwendbarkeit und Leistungsfähigkeit des Berechnungsmodells bei der Analyse von Aufgabenstellungen aus dem Bereich Bauwerksaeroelastik. Die Berechnung einer wirbelerregten, elastischen Platte im Nachlauf eines stumpfen Körpers zeigt die Anwendbarkeit des Berechnungsverfahrens bei starken, nichtlinearen Wechselwirkungen, bei denen das Fluidgebiet durch die Schwingung der Platte beeinflusst wird. Die Simulation der Umströmung elastisch gelagerter Brückenquerschnitte untersucht ihrer aeroelastischen Eigenschaften und erklärt den Anregungsmechanismus der Instabilitäten.

To investigate the aeroelastic instabilities of buildings, a monolithic solution procedure for fluid-structure interaction is extended by including powerful turbulence models, validated and applied. The oscillation behavior of the structure is modeled by the geometrically nonlinear elasticity theory. The statistical description of the turbulent flows using Reynolds Equation in connection with a turbulence model offers an attractive modeling approach for the wind. The transport equations of the Reynolds stress and the other turbulence quantities are derived from the Navier-Stokes equations to explain the several modeling assumptions of the several classes of the turbulence models. The coupling of the model equations is achieved using the coupling conditions of the velocities and the tractions. In addition the geometrical continuity between both continua is satisfied. The coupled model equations are numerically discretized in the frame of the time discontinuous Galerkin formulation using the space-time finite element method and simultaneously solved. The turbulence models are tested in their capability to reproduce the complex turbulence structures, which are typical in the aeroelasticity of bluff bodies. The testing is performed using several experimentally studied flows with increased complexity. The determination of flow field properties of boundary layer over a flat plate and that of the channel flow belong to the basic capability testing. The capability to predict the separation and reattachment of the boundary and free shear layers is tested using the Backward facing step flow. With the prediction of the flow around square cross-section, the capability of the models to predict the Reynolds number dependent flow instabilities is tested. Finally the solution procedure is applied to selected applications to demonstrate the capability of the solution procedure to analyse tasks from building aeroelasticity. The prediction of vortex excited plate vibrations in the wake of a bluff body demonstrates the capability of the solution procedure, when a strong nonlinear interaction with deformed computational domain, which dependent on the vibrations of the plate, is calculated. The Application to the elastically supported R- and H-shaped bridge decks analyse the stability characteristics and identify reasons for aeroelastic instabilities of bridge deck.

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Alfarra, Anas: Numerische Analyse von Bauwerk-Wind-Wechselwirkungen mit RANS-Turbulenzmodellen. 2015.

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