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ZES - Mitgliederversammlung 17.6. 2004 University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Simulation von Strömungs-Struktur-Wechselwirkungen.

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Präsentation zum Thema: "ZES - Mitgliederversammlung 17.6. 2004 University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Simulation von Strömungs-Struktur-Wechselwirkungen."—  Präsentation transkript:

1 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Simulation von Strömungs-Struktur-Wechselwirkungen am Beispiel von Wasserturbinen (Fluid – Structure Interaction) Institut für Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen (IHS) Staatliche Materialprüfanstalt (MPA)

2 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Problemstellung Wasserturbinen sind zunehmend höheren dynamischen Belastungen ausgesetzt: Langer Off-Design-Betrieb, Höhere Lastzyklen, Kostenreduktion (schlankere Bauweise). => Strömungsangeregte Schwingungen

3 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Ziel des Projektes Erstellen von Simulationstools (Kopplung von Strömungs- und Strukturrechnungen) um Schwingungen und deren Auswirkungen vorhersagen zu können. Machbarkeitsstudie StrömungssimulationStruktursimulation Interfaces IHSMPA

4 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Kaplan-Turbine 1.Schwingungsanregung infolge gegenseitiger Beeinflussung der Bauteile (Leitrad – Laufrad –Interaktion 2.Selbsterregte Schwingungen infolge Strömungsinstabilitäten (z. B. Karmansche Wirbelstrasse)

5 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Karmansche Wirbelstrasse Druckfeld Anregende Kraft Größere Herausforderung für die Strömungssimulation

6 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Insel Guadeloupe Karmansche Wirbelstrasse in der Natur

7 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Anwendungsbeispiel Propellerlaufrad 1. Stationäre, Ein-Weg-Kopplung Annahme: Periodische Strömung, nur ein Schaufelkanal wird betrachtet

8 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS

9 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS 2. Dynamische (selbsterregte) Schwingung Vereinfachung: Fest eingespannter Tragflügel Schwingungsanregung durch stumpfe Hinterkante

10 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Problem: Resonanz Wenn Anregungsfrequenz = Eigenfrequenz des Flügels ist => starke Schwingung Abschätzung der Anregungsfrequenz: L 0... Hinterkantendicke V 0... Strömungsgeschwindigkeit f 0... Anregungsfrequenz bei unterschiedlichen Betriebspunkten ändert sich die Geschwindigkeit und damit die Anregung.

11 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Eigenformen 1. Biegeschwingung: 21.8 Hz 1. Torsionsschwingung: Hz 2. Biegeschwingung: Hz 1. Lateralschwingung: Hz 2. Torsionsschwingung: Hz

12 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Anregende Kraft V=2.39m/s

13 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Fourier-Analyse

14 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS

15 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS z. B. Anströmgeschwindigkeit: 11.1 m/s => Anregungsfrequenz: Hz Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit ergibt höhere Anregungsfrequenz

16 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS

17 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Zusammenfassung Simulationstools für gekoppelte Strömungs-Struktur- Berechnung wurden erstellt. Instationäre Strömungsanregungen und die daraus resultierende Verformungen und Spannungen können damit simuliert werden. Am Beispiel eines Tragflügels mit stumpfer Hinterkante wurden das Verhalten getestet.

18 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Ausblick Anwendung auf komplexe Turbinengeometrie Untersuchung von Verbesserungen (z. B. Hinterkantenformen) zur Reduzierung der Anregung.

19 ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Vielen Dank für die Anschubfinanzierung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit


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