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Fluid-Struktur-Wechselwirkung

Fluid-Struktur-Wechselwirkung

Effiziente Lösungsstrategien für Aufgaben mit Fluid-Struktur-Wechselwirkung (FSI) müssen die Kopplungen des Mehrfeldproblems erfassen. Werden das Fluid- und anschließend das Strukturgebiet separat berechnet, erfordert die starke Kopplung die Auswertung von Interaktionsspannungen, die bei einer ausgeprägten Wechselwirkung zwischen Fluid und Struktur zur Divergenz in den Lösungsfeldern führen können.


Mit dem Ziel eines vergrößerten Konvergenzradius werden Raum-Zeit Finite Element Formulierungen eingesetzt, mit denen sowohl die Kinematik des Fluids als auch die Kinematik der Struktur mit Geschwindigkeiten als primären Beschreibungsvariablen beschrieben sind. Dies ermöglicht eine simultane Lösung beider Gebiete ohne zusätzliche Formulierung von Übergangsbedingungen.
 

Gleichungssystem

Die Linearisierung der diskretisierten Modellgleichungen schließt für Fluid-Struktur-Wechselwirkungen auch die Linearisierung der Modellgleichungen des Fluids nach dem sich verändernden Berechnungsgebiet mit ein. Das dargestellte Schema des zu lösenden Gleichungssystems verdeutlicht die Abhängigkeit der Lösung für das Geschwindigkeits- und Druckfeld im Fluid von der Netzbewegung und zeigt weiterhin die starke Kopplung zwischen Fluid und Struktur. Die Netzbewegung ist dabei mit der kinematischen Kopplung einer Pseudo-Struktur an das Strukturgebiet umgesetzt.
 

Beispiel: Wirbelerregte Platte im Strömungskanal

Es ist ein Auszug des bewegten Finite-Elemente Netzes für einen ausgewählten Verformungszustand der flexiblen Platte dargestellt.

Die Interaktion der flexiblen Platte mit dem umströmenden Fluid ist dem Geschwindigkeitsfeld zu entnehmen.

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