Numerische Modellierung von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen an wellenbeaufschlagten Strukturen

Die vorliegende Arbeit behandelt die numerische Modellierung von Fluid-Struktur-Wechselwirkung (FSI) an wellenbeaufschlagten Strukturen mittels eines partitionierten Block-Gauß-Seidel-Lösungsverfahrens. Die Berechnung der Teilpartitionen der multiregionalen bzw. multiphysikalischen Berechnungsfelder basiert dabei auf der numerischen Finite-Volumen-Methode (FVM). Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt auf der Entwicklung eines Fluid-Struktur-Wechselwirkungs-Algorithmus zur Untersuchung von dämpfungsbegünstigten Eigenschaften viskoser newtonscher und strukturviskoser nichtnewtonscher Flüssigkeiten. Die numerischen Untersuchungen erfolgen am Beispiel eines Offshore-Dämpfungselement-Prototypen, bei dem es sich um eine an die monopilen Offshore-Windkraftanlagen-Turmpfeiler integrierte Komponente handelt. Diese besteht im Wesentlichen aus einer dünnwandigen flexiblen Hülle, die um die Offshore-Struktur in der Höhe des Wellengangs befestigt ist. In der Kammer zwischen der flexiblen und starren monopilen Wand befindet sich eine viskose Dämpfungsflüssigkeit, die die impulsartigen Belastungen infolge der Einwirkung extremer Wellenaufschläge
auf den Turmpfeiler dämpfen soll. Das für die Untersuchung generierte multiregionale FSI-Simulationsmodell des Dämpfungselementprototyps besteht dabei aus insgesamt drei Teilpartitionen, die implizit über einen Block-Gauß-Seidel-Kopplungsalgorithmus miteinander in Wechselwirkung stehen. Die erste Teilpartition stellt, als äußere hydrodynamische Belastung auf das Dämpfungselement, ein zweiphasiges Strömungsmodell einer brechenden Welle dar. Das Offshore-Dämpfungselement selbst besteht aus der zweiten und dritten Teilpartition. Diese beiden Teilpartitionen bilden die äußere flexible Strukturhülle und die viskose Dämpfungsflüssigkeit. Anhand von experimentellen Voruntersuchungen in einem Wasserkanal, einem Fluidoszillator und einem schwingenden elastischen Balken aus Kunststoff wird zunächst die Leistungsfähigkeit der drei Teilpartitionen des FSI-Löser getestet und validiert. Die Validierung des multiregionalen FSI-Lösers erfolgte am Beispiel eines in der Literatur bekannten Benchmarks eines brechenden Damms. Die Berechnung des Offshore-Dämpfungselement-Prototyps wird anschließend jeweils mit drei Parametersätzen hochviskoser newtonscher und strukturviskoser nichtnewtonscher Flüssigkeiten vorgenommen. Schließlich werden die unterschiedlichen Wirkungsweisen der Dämpfungsflüssigkeiten anhand zeitlicher Entwicklung der Druckverläufe und der Dissipationsleistung, die als das Volumenintegral über die Dissipationsfunktion definiert ist, analysiert und bewertet.