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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1 ZES - Mitgliederversammlung 17.6. 2004 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 17.6. 2004 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 17.6. 2004 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 17.6. 2004 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 17.6. 2004 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 17.6. 2004 University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Insel Guadeloupe Karmansche Wirbelstrasse in der Natur

7 ZES - Mitgliederversammlung 17.6. 2004 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 17.6. 2004 University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS

9 ZES - Mitgliederversammlung 17.6. 2004 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 17.6. 2004 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 17.6. 2004 University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Eigenformen 1. Biegeschwingung: 21.8 Hz 1. Torsionsschwingung: 101.5 Hz 2. Biegeschwingung: 132.7 Hz 1. Lateralschwingung: 155.8 Hz 2. Torsionsschwingung: 304.7 Hz

12 ZES - Mitgliederversammlung 17.6. 2004 University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Anregende Kraft V=2.39m/s

13 ZES - Mitgliederversammlung 17.6. 2004 University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Fourier-Analyse

14 ZES - Mitgliederversammlung 17.6. 2004 University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS

15 ZES - Mitgliederversammlung 17.6. 2004 University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS z. B. Anströmgeschwindigkeit: 11.1 m/s => Anregungsfrequenz: 101.5 Hz Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit ergibt höhere Anregungsfrequenz

16 ZES - Mitgliederversammlung 17.6. 2004 University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS

17 ZES - Mitgliederversammlung 17.6. 2004 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 17.6. 2004 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 17.6. 2004 University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Vielen Dank für die Anschubfinanzierung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit