Numerische Analyse von Bauwerk-Wind-Wechselwirkungen mit RANS-Turbulenzmodellen

Zur Untersuchung aeroelastischer Instabilitäten von Bauwerken wird ein monolithische Berechnungsmodell für die Fluid-Struktur-Wechselwirkungen um leistungsfähige Turbulenzmodelle erweitert, validiert und angewendet. Das Schwingungsverhalten der Struktur wird mit der geometrisch nichtlinearen lastizitätstheorie modelliert. Die statistische Beschreibung turbulenter Strömungen mittels Reynolds-Gleichungen in Verbindung mit Turbulenzmodellen bietet einen attraktiven Modellierungsansatz des Windes an. Die Transportgleichungen der Reynoldsspannungen und der anderen Turbulenzgrößen werden aus den Navier-Stokes-Gleichungen hergeleitet, um die getroffenen Modellierungsannahmen der unterschiedlichen Klassen von Turbulenzmodellen zu klären. Die Kopplung der Modellgleichungen beider Kontinua erfolgt mit den Kopplungsbedingungen für die Geschwindigkeiten und die Randspannungen. Dazu wird die geometrische Kontinuität zwischen den beiden Kontinua gefordert. Die gekoppelten Modellgleichungen werden numerisch im Rahmen einer zeitdiskontinuierlichen Galerkin-Formulierung mit der Raum-Zeit-Finite-Element-Methode diskretisiert und simultan gelöst. Die Turbulenzmodelle werden auf ihre Eignung zur Erfassung der komplexen Turbulenzstrukturen untersucht, die in der Aeroelastik stumpfer Körper zu erwarten sind. Dies erfolgt anhand experimentell untersuchter Strömungssituationen mit steigender Komplexität. Die Ermittlung der strömungsmechanischen Eigenschaften von Grenzschichten über ebene Platten und in Kanälen gehört zur grundlegenden Untersuchung. Die Vorhersagefähigkeit der Ablösung und des Wiederanlegens von Scherschichten wird anhand der Strömung über rückwärtsgerichtete Stufen überprüft. Mit der Strömung um einen quadratischen Querschnitt wird die Leistungsfähigkeit der Modelle bei Reynolds-Zahlabhängigen Strömungsinstabilitäten überprüft. Abschließend zeigen die Anwendungsbeispiele die Anwendbarkeit und Leistungsfähigkeit des Berechnungsmodells bei der Analyse von Aufgabenstellungen aus dem Bereich Bauwerksaeroelastik. Die Berechnung einer wirbelerregten, elastischen Platte im Nachlauf eines stumpfen Körpers zeigt die Anwendbarkeit des Berechnungsverfahrens bei starken, nichtlinearen Wechselwirkungen, bei denen das Fluidgebiet durch die Schwingung der Platte beeinflusst wird. Die Simulation der Umströmung elastisch gelagerter Brückenquerschnitte untersucht ihrer aeroelastischen Eigenschaften und erklärt den Anregungsmechanismus der Instabilitäten.