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Titelaufnahme

Titel
Smoothed particle hydrodynamics with consistent boundaries for fluid-structure interaction / eingereicht von: Dipl.-Ing. Markus Schörgenhumer, BSc
VerfasserSchörgenhumer, Markus
Begutachter / BegutachterinGerstmayr, Johannes ; Pirker, Stefan
ErschienenLinz, Oktober 2015
Umfang255 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Dissertation, 2015
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)smoothed particle hydrodynamics (SPH) / konsistente Randbedingungen / konsistente Berechnung und Glättung Dichtefeld / Fluid-Struktur-Interaktion / Ko-Simulation
Schlagwörter (EN)smoothed particle hydrodynamics (SPH) / consistent boundaries / consistent computation and smoothing of the density field / fluid-structure interaction / simulator coupling
Schlagwörter (GND)Smoothed Particle Hydrodynamics / Randbedingung <Mathematik> / Fluid-Struktur-Wechselwirkung / Dichtefeld / Simulation
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-6028 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist gemäß den "Hinweisen für BenützerInnen" verfügbar
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Smoothed particle hydrodynamics with consistent boundaries for fluid-structure interaction [40.28 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die Schwingungen von Brücken oder hohen Gebäuden im Wind, die Stabilität einer Ölplattform auf rauer See, oder die Bewegung der Herzklappen im menschlichen Körper - all diese Beispiele sind entscheidend durch die Interaktion von mechanischen Strukturen und Fluiden charakterisiert. Eine große Vielfalt an industriellen und technischen Anwendungen, wissenschaftlichen Problemstellungen, aber auch an Phänomenen, die im Alltagsgeschehen beobachtet werden können, sind durch solche Wechselwirkungen zwischen Fluiden (d.h. Flüssigkeiten oder Gasen) und mechanischen Systemen gekennzeichnet. Wie untersucht man diese Phänomene? Wie kann man sie beschreiben, mathematisch-physikalisch quantifizieren, berechnen und vorhersagen? Das Forschungsfeld der Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) beschäftigt sich mit diesen Fragestellungen.

Aufgrund der hohen Komplexität ist eine analytische mathematische Untersuchung solcher Probleme ohne beträchtliche Vereinfachungen in der Regel nicht möglich, während experimentelle Methoden in vielen Fällen nur ein eingeschränktes Maß an Informationen liefern und unter Umständen nur schwer umsetzbar sowie auch finanziell aufwändig sein können. Aus diesem Grunde ist die Entwicklung von computergestützten numerischen Methoden zur effizienten Modellierung und Simulation von Systemen im Kontext von Fluid-Struktur-Interaktion von entscheidender Bedeutung, sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus anwendungsorientierter Perspektive.

Die vorliegende Arbeit basiert auf einem partitionierten numerischen Simulationsansatz für Fluid-Struktur-Interaktion, dem eine Kopplung von flexiblen Mehrkörpersystemen mit partikelbasierter Fluiddynamik mittels der Methode "smoothed particle hydrodynamics" (SPH) zugrunde liegt. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf der Entwicklung einer neuen konsistenten Formulierung von Rand-Wandbedingungen in SPH, sowie der konsistenten Berechnung und Glättung des Dichte- und Druckfeldes des Fluids. Die entwickelte SPH-Formulierung wurde in einem Ko-Simulations-Framework implementiert und sowohl auf Basis von klassischen Problemstellungen der Strömungsmechanik, als auch einem gekoppelten Beispiel aus dem Feld der Fluid-Struktur-Interaktion getestet und validiert.

Zusammenfassung (Englisch)

The interaction of fluids with mechanical systems - known as fluid-structure interaction (FSI) - is a multi-physics phenomenon which plays an important role in a variety of scientific fields and a broad range of applications in engineering and industry, and which can also be observed in everyday life. Its manifestations span scales of time and space, and range from deformable blood cells in microcapillaries of the human body to the motion of offshore oil platforms on rough sea. The most important characteristic of fluid-structure interaction is the coupling between the fluid and the mechanical components, i.e., the dynamics of the fluid give rise to mechanical displacement and/or deformation, and, vice versa, a displacement of mechanical parts in contact with the fluid generates a flow. Therefore, the problems in this field are always coupled and usually instationary. In order to investigate them there are basically three possibilities: analytical considerations, experimental approaches, and numerical modeling and simulation.

Due to the complexity of fluid-structure interaction in practical applications, it is, on the one hand, difficult to apply analytical methods without considerable simplification of the problem. Experimental techniques, on the other hand, are limited in scope, and their costs may be significant. Therefore, a lot of work has been spent on the development of computational methods for the numerical modeling and simulation of fluid-structure interaction.

The present work is based on a partitioned numerical approach to fluid-structure interaction by means of a coupling between flexible multibody systems (for the modeling of the mechanical part) with the meshless method "smoothed particle hydrodynamics" (SPH) (to capture the fluid dynamics). The focus lies on a new consistent formulation of wall boundary conditions for SPH and the consistent computation and smoothing of the density and pressure field of the fluid. The developed SPH formulation is implemented within a co-simulation framework and validated by means of both classical test cases of computational fluid dynamics as well as a fully-coupled FSI example.