TU BRAUNSCHWEIG

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Oberflächen gekoppelte Mehrfeldsysteme

Hangrutschung

Hydroelastizität

Siloentleerung

Hangrutschung

Die Untersuchung von Hangrutschungen in anliegende Gewässer beinhaltet die Interaktion von verflüssigtem Bodenmaterial, Wasser und umschließender Luft.

Beispiel: Bewegung abrutschenden Bodenmaterials

Das Bodenmaterial ist als viskoplastisches Fluid modelliert. Die Interaktion des verflüssigten Bodens mit dem anstehenden Wasser beim Auftreffen auf dessen Oberfläche ist deutlich erkennbar.

Hydroelastizität

Analyse von mittelschlächtigen Schaufelwasserrädern

Bei Schaufelwasserrädern hängen die hydrodynamischen Einwirkungen und die elastischen Verformungen der drehenden Struktur wechselseitig voneinander ab. Zur hinreichend genauen Abbildung der dabei auftretenden Phänomene wie Wirbelablösungen im Strömungsfeld und Schwingungsanregungen der Struktur sowie einer Optimierung des Wirkungsgrades der Wasserradkonstruktion ist eine gekoppelte Berechnung als hydroelastisches System notwendig.

Das gekoppelte Dreifeldsystem bestehend aus drehender Struktur, Umgebungsluft und Wasser wird mit Hilfe einer Level-Set-Funktion als hydroelastisches System beschrieben. Dabei gibt die Level-Set-Funktion den vorzeichenbehafteten kürzesten Abstand zur Wasser-Luft-Grenzfläche an. Sowohl Wasser- als auch Luftphase sind durch die inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen in einer Geschwindigkeits-Druck-Formulierung beschrieben, wobei die Materialparameter anhand einer regularisierten Heaviside-Funktion bestimmt werden, womit Luft und Wasser einheitlich als ein Fluid mit sich im Bereich der Wasser-Luft-Grenzfläche stark ändernden Materialparametern beschrieben sind. Die Diskretisierung erfolgt mit Hilfe der zeit-diskontinuierlichen Raum-Zeit-Finite-Elemente-Methode in Kombination mit der Shear-Slip-Mesh-Update-Method zur Berücksichtigung des sich verändernden Fluidgebietes.

Beispiel: Experimentalmodell des Wasserrades SWR-8

Simulation des Wasserrades


Dargestellt ist das Strömungsfeld infolge einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit des Rades im noch instationären Zustand.

Siloentleerung

Bei exzentrischen Entleerungen von Siloanlagen, die durch den Verzug des Auslauftrichters begünstigt werden, ist die Beanspruchung der Silowandung aufgrund der Anlagerung konsolidierten Schüttgutes innerhalb toter Zonen nicht mehr rotationssymmetrisch und muss beim Nachweis der Tragsicherheit berücksichtigt werden. Ist die Dicke der Silowandung nur für rotationssymmetrische Lasten bemessen, kann die erhöhte Beanspruchung, infolge entlang der Silowandung verlaufender Fließkanäle, im Übergangsbereich zwischen ruhendem und strömendem Schüttgut zu einem lokalen Stabilitätsversagen bis hin zum Verlust der Tragfähigkeit des gesamten Silos führen.

Für die numerische Analyse ist die Silowandung aus Stahl mit einem Modell für elastisch-viskoplastisches Materialverhalten und große Rotationen und das Schüttgut als kompressibles viskoplastisches Fluid mit den Navier-Stokes Gleichungen beschrieben. Die Dynamik der freien Oberfläche des Schüttgutes ist mit der Level-Set-Gleichung erfasst.

Mit Berücksichtigung der Wandreibung ist ein Gesamtmodell entwickelt, mit dem der Einfluss der Verformung der Silowandung auf den Strömungszustand innerhalb des Schüttgutes untersucht werden kann.

Beispiel: Exzentrischer Entleerungsvorgang



Während der Entleerung bildet sich der Fließkanal exzentrisch aus. Die Entwicklung des Druckverlaufs entlang der Silowandung für ein kohäsives Schüttgut mit innerem Reibwinkel von 20 Grad ist angegeben.

Dargestellt sind die Normal- und Schubspannungen entlang der Silowandung zu Beginn der Entleerung sowie die daraus resultierenden Verschiebungen und Vergleichsspannungen in der Siloschale.

Aktuelle Forschungsprojekte

  • S. Reinstädler: Modellierung und numerische Simulation von Hangrutschungen

  • H. Schippke: Modellierung und numerische Untersuchung der hydroelastischen Wechselwirkungen bei Schaufelwasserrädern

  • S. Reinstädler: Modellierung von Entleerungsvorgängen in Silos

Abgeschlossene Forschungsprojekte

  • F. Pasenow: Modellierung oberflächengekoppelter Mehrfeldsysteme und numerische Analyse rutschender Bodenmaterialien, Dissertation, TU Braunschweig, 2014
  • A. Kölke: Modellierung und Diskretisierung bewegter Diskontinuitäten in randgekoppelten Mehrfeldsystemen, Dissertation, TU Braunschweig, 2005
  • C. Leppert: Mehrphasenmodell für granulare Medien zur numerischen Untersuchung des Phasenübergangs bei der Entleerung von Silos, Dissertation, TU Braunschweig, 2007

  aktualisiert am 20.04.2016
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