Durch Fluid-Struktur-Wechselwirkungen induzierte Schwingungen flexibler Strukturen in gleichförmigen Strömungen.

Fluid-structure interaction (FSI) commonly refers to interactions between fluids and structures that yield motions of the fluid and the solid bodies and if these motions are dependent on each other. FSI effects have been well known since the earliest days of powered flight, at the beginning of the 20th century. However, it was in recent years that they became a prominent aspect of engineering projects as designers are using materials to their limits, causing structures to become progressively lighter, more flexible and more prone to vibrate. The treatment of these effects is usually complex and so are the multi-physical phenomena that result from this type of problems. From the numerical point of view, the accurate simulation of an FSI problem still constitutes a challenge with respect to mathematical modelling, numerical discretization, solution techniques, and implementation as software tools on modern computer architectures. Stimulated by the increasing interest in FSI problems, the present study investigated the instability and consequent FSI-induced self-excited limit-cycle oscillation of complex flexible structures in uniform flows. This particular approach, rarely described in the literature, conferred an innovative character on the study and, at the same time, it permitted the characterization of both, the elastic-dynamic behaviour of the structure and the dynamic behaviour of the surrounding flow in free oscillating conditions. The investigations considered structures of different geometries, which combined the elastic behaviour of thin plates in axial flows with the dynamic behaviour of rigid cylinders in cross-flows, and covered a vast range of laminar and turbulent flows (approx. 10 < Re < 125000). Both particle-image velocimetry (PIV) and stereo pattern recognition (SPR) measurement techniques were implemented with time-phase reconstruction methods to characterize the coupled fluid and structure motion, respectively. The results of the elastic-dynamic response of the structures under different flow conditions were conclusive in showing that the FSI-induced coupled fluid and structure motion was characterized by a sequence of clearly defined oscillation modes, or swivelling-modes, as a function of the characteristics of the structure and flow properties. In addition, it was possible to identify the excitation mechanisms responsible for the self-excitation of the structure movement, and consequently control of the swivelling-modes, as being of the instability-induced excitation (IIE) and movement-induced excitation (MIE) types. The IIE was found to be the most dominant self-excitation mechanism at low velocities and it was characterized by a direct relation between the flow fluctuation triggered by the structure and its natural frequencies. Therefore, this mechanism was strongly determined by the geometry of the structure front body. The afterbody geometry and the mechanical properties of the structure proved to have no significant influence on the IIE excitations except for the effects on the dynamic characteristics of the structure. At higher velocities, the amplitudes of the flow disturbances generated by the structure movement increased and excitations of the MIE type were found to be predominant. The MIE self-excitation mechanism was proved to be weakly influenced by the shape of the structure but very sensitive to its dynamic characteristics and specially to the properties of the fluid. Because the influence of the latter increased on increasing the fluid damping, the MIE mechanism was found to be more sensitive to the characteristics of the structure in turbulent than in laminar flows. The results of the velocity measurements in unsteady flows corroborated those of the structure deformation, namely that motions excited by the MIE mechanism are, in general, more complex than the IIE excited motions. As far as the flow is concerned, the most significant differences were registered in the vortex topology of the structure wake flow. Whereas all IIE swivelling-modes were characterized by a single pair of vortices downstream of the structure, flows controlled by the MIE mechanism were characterized by the fact that the separated vortices from the structure front body were out of phase with the secondary vortices created by the structure trailing edge. This gave rise to a multitude of wake flow vortex topologies, as a function of the structure and flow properties. Towards the end of the study, numerical results were compared with the experimental data for selected test cases in laminar flows. The comparison demonstrated that both structure and flow behaviours were correctly simulated by the numerical algorithms. Quantitatively, the numerical simulations always resulted in slightly higher swivelling frequencies compared with the corresponding measurements. Concerning the structure deformation, the results proved to be very sensitive to deviations in the damping coefficient of the structures, which affected the experimental results but which were not considered in the numerical model. Hence, for the test cases controlled by the IIE mechanism, whose excitation was very sensitive to the dynamic characteristics of the structure alone, discrepancies between the measurements and numerical results were observed. For those controlled by the MIE mechanism, the consequences of the structure damping deviations were observed to be negligible as a result of the prevailing influence of the fluid viscosity. In these cases, the agreement between the results was found to be almost perfect.Der Begriff Fluid-Struktur-Wechselwirkungen (Fluid-structure interaction, FSI) bezeichnet gewöhnlich Wechselwirkungen zwischen Fluiden und Strukturen, die zu sich gegenseitig beeinflussenden Bewegungen des Fluids und des Festkörpers führen. FSI sind bekannt seit spätestens den frühen Tagen des motorisierten Flugs anfangs des 20. Jahrhunderts. Aber sie gewannen in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung für technische Anwendungen, da die Konstrukteure die Materialien immer weiter an ihren Grenzen einsetzen, was dazu führt, dass die Strukturen immer leichter, flexibler und damit schwingungsgefährdeter werden. Die Behandlung der auftretenden Wirkungen ist meist sehr komplex und ebenso komplex sind die zugrundeliegenden gekoppelten physikalischen Phänomene. Aus der Sicht der numerischen Simulation stellen FSI Probleme noch immer in mehr facher Hinsicht eine Herausforderung dar: in der mathematischen Modellierung, in der numerischen Diskretisierung, in den Lösungstechniken und in der Implementierung als Software-Werkzeuge auf modernen Computerarchitekturen. Angeregt durch das zunehmende Interesse an FSI Problemen wurden in der vorliegenden Studie Instabilitäten und die daraus resultierenden FSI-induzierten, selbsterregten periodischen Schwingungen an komplexen flexiblen Strukturen in gleichförmigen Strömungen untersucht. Dieser besondere Ansatz, der in der Literatur kaum beschrieben wird, kennzeichnet den neuartigen Charakter der Studie und ermöglichte gleichzeitig sowohl die Charakterisierung des elastisch-dynamischen Verhaltens der Struktur als auch das dynamische Verhalten der Umströmung während der frei schwingenden Oszillationen. Die Untersuchungen berücksichtigten Strukturen unterschiedlicher Geometrien, welche das elastische Verhalten von dünnen Platten in Längsströmung mit dem dynamischen Verhalten von querangeströmten starren Zylindern kombinierten, und umfassten einen ausgedehnten Bereich laminarer und turbulenter Strömungen (ungefähr 10 < Re < 125000). Als Messtechniken zur Charakterisierung der gekoppelten Fluid- und Strukturbewegungen kamen die Particle-Image Velocimetry (PIV) und die stereoskopische Bildmustererkennung (SPR) zum Einsatz, beide kombiniert mit Methoden der Zeit-Phasen Rekonstruktion. Anhand der Ergebnisse des elastisch-dynamischen Antwortverhaltens der Strukturen bei verschiedenen Anströmbedingungen konnte schlüssig gezeigt werden, dass die FSI-induzierten gekoppelten Fluid- und Strukturbewegungen beschrieben werden können als eine Abfolge von klar definierten Schwingungs- oder Oszillationsmoden, die Funktionen der Struktur- und Strömungseigenschaften sind. Darüber-hinaus war es möglich, die Anregungsmechanismen, die verantwortlich sind für die Selbsterregung (und somit Kontrolle) der Strukturschwingungen, zu identifizieren und den Typen instabilitätsinduzierte Erregung (Instability-induced excitation, IIE) sowie bewegungsinduzierte Erregung (Movement-induced excitation, MIE) zuzuordnen. Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten wurde IIE als dominierender Selbst-erregungsmechanismus gefunden und charakteristisch für diese Anregung war ein direkter Zusammenhang zwischen den von der Struktur erzeugten Strömungs-schwankungen und der Eigenfrequenzen der Struktur. Das heiß t, dieser Mechanismus war stark beeinflusst von Geometrie des Frontkörpers der Struktur während die Geometrie und die mechanischen Eigenschaften des flexiblen Teils der Struktur, abgesehen von ihrem Einfluss auf die dynamischen Kenngröß en, keine signifikanten Wirkungen auf die IIE Erregung hatten. Bei höheren Geschwindigkeiten nahmen die Amplituden der Strömungsschwan-kungen, die durch die Bewegungen der Struktur erzeugt wurden, zu und Anregungsmechanismen vom MIE Typ überwogen. Der MIE-Selbsterregungsmechanis-mus wurde nur schwach von änderungen der äuß eren Form der Struktur beeinflusst, zeigte sich aber sehr empfindlich gegenüber den dynamischen Parametern und insbesondere den Fluideigenschaften. Da deren Einfluss mit zunehmender Strömungs-dämpfung zunahm, zeigte der MIE-Mechanismus in turbulenten Strömungen eine gesteigerte Sensitivität gegenüber Strukturkenngröß en im Vergleich zu Tests in laminaren Strömungen. Die Ergebnisse der Geschwindigkeitsmessungen der instationären Strömungen bekräftigten die Analysen der Strukturdeformationen, nämlich dass die Bewegungen, die durch MIE angeregt wurden, grundsätzlich komplexer sind als die durch IIE angeregten. Was die Strömungsfelder angeht, so wurden die signifikantesten Unterschiede in der Topologie der Wirbel in der Nachlaufströmung beobachtet. Während alle IIE Schwingungsmoden durch ein einzelnes Wirbelpaar stromab der Struktur gekennzeichnet waren, war für Strömungen, die vom MIE-Mechanismus kontrolliert wurden charakteristisch, dass die abgelösten Wirbel vom Frontkörper der Struktur nicht in Phase mit den Sekundärwirbeln waren, die an der Endkante generiert wurden. Daraus resultierten vielfältige Wirbeltopologien abhängig von den Struktur- und Fluideigenschaften. Abschließ end wurden für ausgewählte Testfälle in laminaren Strömungen numerische Ergebnisse mit den experimentellen Daten verglichen. Die Gegenüberstel-lung zeigte, dass sowohl das Verhalten der Struktur als auch dasjenige der Strömung vom numerischen Algorithmus korrekt simuliert wurden