Experimental investigations on the fluid-structure interaction of a deformable and membranous hemisphere in turbulent flow

Experimentelle Untersuchungen zur Fluid-Struktur-Interaktion einer deformierbaren Membran-Halbkugel in turbulenter Strömung

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-32400
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Mechanik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Breuer
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.06.2019
Erstellungsjahr: 2019
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Turbulente Strömung , Fluid-Struktur-Wechselwirkung , Strömungsmechanik , Strukturdynamik , Particle-Image-Velocimetry , Laser-Doppler-Anemometrie , D
Freie Schlagwörter (Deutsch): Fluid-Struktur-Interaktion, Experimentelle Strömungsmechanik, Hochgeschwindigkeits-Messtechnik, Digitale Bildkorrelation, turbulente Grenzschicht
Freie Schlagwörter (Englisch): experimental fluid-structure interaction measurements, membranous structures, turbulent flow, hemisphere, turbulent boundary layer
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Aufgrund vielfältiger Einsatzmöglichkeiten sind Membrantragwerke von zunehmender Bedeutung im modernen Bauingenieurwesen. Der sichere Aufbau und Betrieb von Membranstrukturen muss stets gewährleistet sein. Eine Herausforderung ist dabei die Auslegung von Membranbauten unter Berücksichtigung sich wandelnder Umwelteinflüsse. Insbesondere das dynamische Verhalten von Membranen unter Windanfachung sollte in Zukunft ein wesentliches Auslegekriterium dieses Strukturtyps sein. Die wechselseitige Beeinflussung der flexiblen Struktur mit dem umgebenden Fluid ist als multi-physikalisches Problem zu betrachten. Daher müssen zur Auslegung von Membranbauten sowohl die Strömungs- als auch die Strukturmechanik gleichermaßen in Betracht gezogen werden. Hieraus ergibt sich die Motivation für die vorliegende Dissertation, welche sich mit der Fluid-Struktur-Wechselwirkung einer luftgestützen Membranstruktur in turbulenter Strömung befasst. Die Struktur ist dabei eine hochflexible Halbkugel. Die Halbkugelform des Membranmodells wird über einen leichten Überdruck im Inneren erreicht. Dieser führt zu Vorspannungen in der Membran, welche die Halbkugel gegen äußere Windlasten stabilisiert. Diese Konfiguration ist einer sogenannten "Traglufthalle" nachempfunden, welche häufig als temporäre Überdachung Verwendung findet, z.B. bei Sportanlagen oder Baustellen. Die Untersuchungen zur Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) der flexiblen Halbkugel werden experimentell im Windkanal durchgeführt. Zu diesem Zweck ist ein geeigentes Silikonmodell der Halbkugel mithilfe eines Gießverfahrens hergestellt worden. Entsprechende Materialparameter wie Dämpfung, E-Modul und Querkontraktionszahl werden durch Standardversuche bestimmt. Ebenso sind das statische und dynamische Verhalten des dünnwandigen Silikonmodells unter Innendruck ausgiebig charakterisiert worden. Eine gleich große Halbkugel aus Aluminium wird als steifes Referenzmodell für die Strömungsmessungen herangezogen. In einer ersten Studie wird das Strömungsfeld um das steife Halbkugelmodell in einer turbulenten Grenzschicht bei Re = 50,000 vermessen. Ein Großteil dieser Untersuchung beinhaltet die Erzeugung der gewünschten turbulenten Einlaufgrenzschicht, welche zu Beginn der Messstrecke vorliegen soll und eine zentrale Randbedingung für alle Versuche darstellt. Die instationäre und zeitlich gemittelte Strömung wird mittels Laser-Doppler- (LDA) und Hitzdraht-Anemometrie (CTA) erfasst. Zwei charakteristische Wirbelablöseprozesse treten im Nachlauf der Halbkugel auf: Eine asymmetrische Ablösung vom von Karman Typ und ein symmetrischer Bogenwirbel. Beide Wirbeltypen lassen sich anhand charakteristischer Ablösefrequenzen eindeutig zuordnen. Es tritt immer nur einer der beiden Wirbelstrukturen zeitgleich auf, jedoch stets abwechselnd und in unregelmäßigen Abständen. Die zeitgemittelten Daten zeigen die grundlegenden Strömungsgebiete der Halbkugel: Im Vorlauf bildet sich ein ausgeprägter Hufeisenwirbel, der Nachlauf wird durch die abgelöste Scherschicht und das Rezirkulationsgebiet dominiert. Die gewonnenen Daten dienen zusätzlich zur Validierung einer in der Literatur aufgeführten numerischen Simulation basierend auf dem Verfahren der Large-Eddy-Simulation. Im Anschluss an diese Studie wird das gekoppelte Problem betrachtet. Dazu wird das flexible Model im Windkanal installiert. Weiterhin werden drei Reynolds-Zahlen (50,000, 75,000 und 100,000) untersucht, um den Einfluss verschiedener Strömungsgeschwindigkeiten auf die flexible Struktur zu charakterisieren. Für einen direkten Vergleich der Strömungsfelder wird erneut die starre Halbkugel vermessen, um den Einfluss der flexiblen Struktur auf die Strömung sichtbar zu machen. Die Messdaten werden mittels einer Kombination aus Particle-Image -Velocimetry (PIV) für das Strömungsfeld und einem digitalen Bildkorrelationsverfahren (DIC) basierend auf Hochgeschwindigkeitskameras zur Aufnahme der dynamischen Strukturverformungen erfasst. Des Weiteren wird eine Heißfilm-Sonde verwendet, um Verbindungen zwischen den nicht synchronisierten PIV- und DIC-Messungen herzustellen. Diese Messungen werden in der Nähe der deformierbaren Struktur durchgeführt. Im Anschluss werden die Spektren der Geschwindigkeitmessungen (CTA) und der Strukturoszillationen (DIC) verglichen. Beide Signale enthalten ähnliche Frequenzen, welche entweder charakteristischen Strömungsphänomenen (Wirbelablösungen) oder Eigenfrequenzen zuordbar sind. Diese Analyse gibt Aufschluss über die zugrundeliegenden Mechanismen des betrachteten FSI-Problems. Hierbei sind besonders die dominanten Wirbelablöseprozesse (von Karman Typ und symmetrischer Bogenwirbel) und die Geschwindigkeitsfluktuationen in der abgelösten Scherschicht als Hauptanregungsmechnismen zu nennen. Diese Phänomene sind in allen erfassten Spektren gut sichtbar. Weiterhin steigen mit zunehmender Re-Zahl sowohl die mittleren Auslenkungen der flexiblen Struktur als auch die Amplituden der Membranschwingungen deutlich an. Mit zunehmender Deformation der Struktur lässt sich eine deutliche Veränderung des turbulenten Nachlaufs in den zeitlichen gemittelten Strömungsfeldern nachweisen. Zusätzlich werden die experimentellen Untersuchungen mit Ergebnissen numerischer Simulationen des identischen Falls aus der Literatur ergänzt. Die herangezogenen Werte der Literatur basieren auf der Large-Eddy-Simulationstechnik (Strömungslöser) und der Finite-Elemente-Methode (Strukturlöser).

Kurzfassung auf Englisch:

Membrane structures are of increasing interest for modern civil engineering due to their adaptable application. The safe assembly and operation of membranous buildings in urban regions is a challenging task due to permanently changing environmental conditions. A critical issue is the dynamic response of the flexible membrane to wind loads which has to be addressed as a primary design criterion for this type of structure in the future. The influence of wind loads on the deformable structure form a multi-physical problem since fluid and structure mechanics have to be considered simultaneously to encompass the whole problem. This leads to the motivation of this thesis in which the fluid-structure interaction (FSI) of a thin-walled and air-inflated membranous structure immersed in a turbulent boundary layer is investigated. The highly flexible structure has the shape of a hemisphere. In order to maintain its hemispherical form and to attain a resistance against wind loads, the flexible structure is pressurized by a slight gauge pressure pre-stressing the membrane. In this configuration, the membranous hemisphere is considered as an air-inflated building often seen as roofing for temporary facilities. The fluid-structure interaction of the flexible hemisphere immersed in a turbulent flow is experimentally investigated in a wind tunnel. For this purpose, an appropriate flexible model is manufactured using a casting procedure, where the structure of the hemisphere is based on a silicone material. A second fully rigid hemispherical model is manufactured out of aluminum serving as a reference for the flow field studies. The first investigation focuses on the turbulent flow around the rigid hemisphere at Re = 50,000. Large effort is put into the generation of the required thick turbulent boundary layer at the inlet of the test section of the wind tunnel, since it is an essential boundary condition of the experimental case. The flow around the solid bluff body is measured by laser-Doppler (LDA) and constant-temperature anemometry (CTA). Two characteristic vortex shedding processes are observed in the wake of the hemisphere: An asymmetric von Karman and an arch-type symmetric type. Both vortex patterns alternate in an irregular manner in time, where only one is present in the wake during a certain period of time. The time-averaged data reveal the characteristic phenomena forming around the hemisphere such as the horseshoe vortex system, the free shear layer and the recirculation region. All data are furthermore used for the successful validation of a large-eddy simulation which is taken from the literature. After this initial flow field study, the coupled problem is observed. For this purpose, the flexible hemisphere is once more exposed to a turbulent boundary layer at three Reynolds numbers (50,000, 75,000 and 100,000). This setup is used to examine the interaction between the flow and the pressurized membrane at different free stream velocities. Furthermore, the flow field around the rigid hemisphere is measured again in order to maintain comparability between the used measurement equipment and the extended Reynolds number range. The experiments are carried out by combining particle-image-velocimetry (PIV) for the flow field and high-speed digital-image correlation (DIC) measurements for the deformation of the oscillating membranous structure. Moreover, a constant-temperature anemometer is utilized in order to evaluate the velocity spectra at locations close to the wall. This is necessary to connect the non-synchronized fluid and structure measurements. Afterwards the spectra of the velocity fluctuations (CTA) and the structure oscillations (DIC) are compared. This procedure leads to the characterization of the underlying FSI mechanisms. As before, the two main vortex shedding types (von Karman and symmetric arch-type) are observed at all Reynolds numbers. These are also identified in the unsteady structure excitations. With increasing Re number the time-averaged deformations of the structure as well as the observed amplitudes of the oscillation increase. The displacements of the structure strongly influence the time-averaged flow field revealing a significant difference in the wake. A thorough analysis of the comprehensive data sets for the fluid flow and the displacements of the structure leads to the characterization of the behavior of the flexible structure under changing flow conditions. Again, the experimental results are supported by complementary numerical investigations based on large eddy simulations for the fluid and a finite-element solver for the structure taken from the literature.

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