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Fluid-Struktur-Wechselwirkungen


Die Arbeiten zur Berücksichtigung von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen in der Mehrkörpersimulation werden u. a. motiviert durch die Simulation hydrodynamischer Gleitlager in Kraftfahrzeugmotoren. In Industrieanwendungen folgt man hierbei einem Vorgehen, das u.a. für aeroelastische Berechnungen etabliert ist, und betrachtet die Rand- und Kopplungsbedingungen zwischen Fluid und (elastischem) Körper räumlich diskretisiert in endlich vielen Punkten auf der Oberfläche des elastischen Körpers, dessen Deformation mittels Modalansatz beschrieben wird. Für die geometrisch präzise Beschreibung der elastischen Deformation in diesen Koppelpunkten sind im Modalansatz in der Regel auch zahlreiche Eigenmoden zu berücksichtigen, deren zugehörige Eigenfrequenzen weit oberhalb des für Mehrkörpersimulationen typischen Frequenzbereichs liegen und die deshalb bei der Simulation des gekoppelten Systems erhebliche Schwierigkeiten verursachen. Im Verbundprojekt sollen zwei Alternativen zu diesem in der ingenieurtechnischen Praxis etablierten Vorgehen entwickelt und untersucht werden.

Mit den unter Leitung von Prof. Martin Arnold (
Institut für Mathematik, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg) zu entwickelnden numerischen Methoden sollen gekoppelte Differentialgleichungssysteme, die DAE-Netzwerkmodelle mit partiellen Differentialgleichungen zur Beschreibung räumlich verteilter Effekte verknüpfen, effizienter gelöst werden. Im Mittelpunkt stehen dabei Phänomene wie die Fluid-Struktur-Wechselwirkung in Mehrkörpersystemmodellen, bei denen die im 3D Raum definierten Teilsysteme nicht nur punktweise, sondern über Randbedingungen auf 2D Oberflächen gekoppelt sind.
 




Bei der Simulation von Strömungs-Struktur-Wechselwirkungen bestimmt die geometrische Form der Oberfläche des elastischen Körpers das Integrationsgebiet für die strömungsmechanischen Berechnungen. Ein typisches Anwendungsszenario ist ein hydrodynamisches Gleitlager. Hydrodynamische Gleitlager werden in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um die Übertragung von Motorvibrationen in die Karosserie zu vermeiden und Resonazschwingungen des Motors zu dämpfen. Durch ihren Aufbau und durch die dynamischen Betriebsbedingungen stellen hydrodynamische Gleitlager ein komplex interagierendes Fluid-Struktur-System dar.


Das technische System eines mechanischen Mehrkörpersystems
Modell eines mechanischen Mehrkörpersystems