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Simulation rotordynamischer Problemstellungen mit der Smoothed Particle Hydrodynamics Methode

In dieser Arbeit wird die Innenströmung rotordynamischer Komponenten mit Hilfe der Weakly-Compressible-Smoothed-Particle-Hydrodynamics (WCSPH) Methode simuliert. Dabei handelt es sich in der Anwendung um die Berechnung von Gleitlagermodellen, betrachtet unter den Aspekten der Fluiddynamik. Dazu werden verschiedene Varianten der WCSPH verglichen und in Bezug auf die Anwendungen diskutiert. Im Fokus stehen auch die Randbedingungen, deren Modellierung unter Verwendung der WCSPH ein hohes Maß an Forschungspotenzial in sich tragen. Die benötigten theoretischen Grundlagen zur Kontinuumsmechanik und zur Gleitlagertheorie werden nebst der Grundlagen bezüglich der WCSPH beschrieben. Aus den Grundlagen der WCSPH werden verschiedene Varianten entwickelt, wozu auch verschiedene Modellierungen von Randbedingungen gehören, die erläutert werden. Die Randbehandlung nach Ferrand wird unter Betrachtung einer abweichenden Spannungsformulierung um die Volumenviskosität gemäß der Stokesschen Hypothese erweitert. Aus den Bausteinen der WCSPH in Kombination mit den verschiedenen Randbehandlungen werden vier verschiedene Programmabläufe zusammengesetzt und die jeweiligen Formen der Initialisierung erläutert. Die Programmabläufe werden anhand einer druckgetriebenen Kanalströmung und einer Couetteströmung validiert und die Vor- und Nachteile gegenübergestellt. Die zwei qualitativ überlegenen Methoden werden zur Simulation von Gleitlagerströmungen verwendet. Diese sind aufgespalten in eine exzentrische, stationäre Lagerströmung mit einer translatorisch fest im Strömungsgebiet rotierenden Welle und in ein instationäres Gleitlagermodell mit frei beweglicher Welle, deren Position sich aufgrund einer aufgeprägten Lagerlast und der aus dem Fluid auf die Welle wirkenden Kräfte einstellt. Die Bewegung der Welle im Gleitlager und die Strömung des Fluids sind miteinander gekoppelt, sie interagieren miteinander. Zur Simulation des instationären Falls wird ausschließlich der geeignetste Programmablauf verwendet.

Aktualisiert: 2020-06-05

Autor: Anika Stein

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