Der mit flüssigem Natrium gefüllte Druckbehälter eines Präzessionsexperimentes unterliegt im Betrieb einer Vielzahl an Belastungen. Neben den aus der Rotation und Präzession resultierenden Fliehkräften und dem gyroskopischen Moment müssen ebenfalls die fertigungsbedingten Unwuchten sowie die Fluid-Struktur-Interaktion berücksichtigt werden. Darüber hinaus stellen die bei der Erwärmung bzw. Abkühlung auftretenden thermischen Spannungen eine wesentliche Beanspruchung dar. Es wird ein Algorithmus vorgestellt, der es ermöglicht, alle diese transienten und winkelabhängigen Lasten bei minimalem Rechenaufwand in den Berechnungsprozess einzubeziehen und die für den statischen und zyklischen Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie maßgeblichen Beanspruchungen zu identifizieren. Dies ermöglicht die vollflächige Berechnung des Auslastungsgrades in ANSYS Workbench.

Tails, fins, scales, and surface coatings are used by organisms for various tasks, including locomotion. Since millions of years of evolution have passed, we expect that the design of surface structures is optimal for the tasks of the organism. These structures serve as an inspiration in this thesis to identify new mechanisms for flow control. There are two general categories of fluid-structure-interaction mechanisms. The first is active interaction, where an organism actively moves parts of the body or its entire body in order to modify the surrounding flow field (e.g., birds flapping their wings). The second is passive interaction, where appendages or surface textures are not actively controlled by the organism and hence no energy is spent (e.g., feathers passively moving in the surrounding flow). Our aim is to find new passive mechanisms that interact with surrounding fluids in favourable ways; for example, to increase lift and to decrease drag. In the first part of this work, we investigate a simple model of an appendage (splitter plate) behind a bluff body (circular cylinder or sphere). If the plate is sufficiently short and there is a recirculation region behind the body, the straight position of the appendage becomes unstable, similar to how a straight vertical position of an inverted pendulum is unstable under gravity. We explain and characterize this instability using computations, experiments and a reduced-order model. The consequences of this instability are reorientation (turn) of the body and passive dispersion (drift with respect to the directionof the gravity). The observed mechanism could serve as a means to enhance locomotion and dispersion for various motile animals and non-motile seeds. In the second part of this thesis, we look into effective models of porous and poroelastic materials. We use the method of homogenization via multi-scale expansion to model a poroelastic medium with a continuum field. In particular, we derive boundary conditions for the velocity and the pressure at the interface between the free fluid and the porous or poroelastic material. The results obtained using the derived boundary conditions are then validated with respect to direct numerical simulations (DNS) in both two-dimensional and three-dimensional settings. The continuum model – coupled with the necessary boundary conditions – gives accurate predictions for both the flow field and the displacement field when compared to DNS. / Många djur använder sig av fjäll, päls, hår eller fjädrar för att öka sin förmåga att förflytta sig i luft eller vatten. Eftersom djuren har genomgått miljontals år av evolution, kan man förvänta sig att ytstrukturernas form är optimala för organismens uppgifter. Dessa strukturer tjänar som inspiration i denna avhandling för att identifiera nya mekanismer för manipulering av strömning. Samverkan mellan fluider och strukturer (så kallad fluid-struktur-interaktion) kan delas upp i två kategorier. Den första typen av samverkan är aktiv, vilket innebär att en organism aktivt rör hela eller delar av sin kropp för att manipulera det omgivande strömningsfältet (till exempel fåglar som flaxar sina vingar). Den andra typen är passiv samverkan, där organismer har utväxter (svansar, fjärdar, etc.) eller ytbeläggningar som de inte aktivt har kontroll över och som således inte förbrukar någon energi. Ett exempel är fjädrar som passivt rör sig i det omgivande flödet. Vårt mål är att hitta nya passiva mekanismer som växelverkar med den omgivande fluiden på ett fördelaktigt sätt, exempelvis genom att öka lyftkraften eller minska luftmotståndet. I den första delen av detta arbete undersöker vi en enkel modell för en utväxt (i form av en platta) bakom en cirkulär cylinder eller sfär. Om plattan är tillräckligt kort och om det finns ett vak bakom kroppen kommer det upprätta läget av plattan att vara instabilt. Denna instabilitet är i princip samma som uppstår då man försöker balansera en penna på fingret. Vi förklarar den bakomliggande mekanismen av denna instabilitet genom numeriska beräkningar, experiment och en enkel modell med tre frihetsgrader. Konsekvenserna av denna instabilitet är en omorientering (rotation) av kroppen och en sidledsförflyttning av kroppen i förhållande till tyngdkraftens riktning. Denna mekanism kan användas djur och frön för att öka deras förmåga att förflytta eller sprida sig i vatten eller luft. I den andra delen av avhandlingen studerar vi modeller av porösa och elastiska material. Vi använder en mångskalig metod för att modellera det poroelastiska materialet som ett kontinuum. Vi härleder randvillkor för både hastighetsfältet och trycket på gränssnittet mellan den fria fluiden och det poroelastiska materialet. Resultaten som erhållits med de härledda randvillkoren valideras sedan genom direkta numeriska simuleringar (DNS) för både två- och tredimensionella fall. Kontinuumsmodellen av materialet kopplad genom randvillkoren till den fria strömmande fluiden predikterar strömnings- och förskjutningsfält noggrant i jämförelse med DNS.

Das Innenohr des Säugetieres ist ein hochspezialisiertes sensorisches System, das durch ein komplexes mechanisches Verhalten gekennzeichnet ist. Neben der komplizierten Morphometrie und Geometrie kommen auch dem richtungsabhängigen Materialverhalten eine wesentliche Bedeutung zu. Es zeigt sich, daß im Cortischen Organ mit der äußeren Haarsinneszelle ein Zelltyp vorliegt, der durch seine physikalischen Eigenschaften das Gesamtverhalten des Innenohres maßgeblich beeinflußt. Wie jede tierische Zelle weist die äußere Haarsinneszelle als biomechanisches System eine heterogene Mikrostruktur auf. Vom mechanischen Standpunkt aus gesehen, ist neben der mehrschichtigen basolateralen Zellwand jede Einzelzelle durch ein viskoses inneres Fluid (Zellplasma) und einen Zellkern (Nukleus) gekennzeichnet. Die resultierenden mechanischen Eigenschaften des Gesamtsystems ”äußere Haarsinneszelle” können durch Experimente und eine geeignete Modellierung determiniert werden. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Bestimmung der viskoelastischen Materialeigenschaften der basolateralen Wand vorgestellt. Durch Anwendung einer effektiven Fluid-Struktur-Interaktion wird das Gesamtsystem geschlossen untersucht und eine umfangreiche Materialparameterstudie durchgeführt. Dabei werden im Rahmen der Kontinuumsmechanik gültige Materialgesetze angewendet. Das durch partielle Differentialgleichungen formulierte mechanische Feldproblem wird im Rahmen der Finiten-Elemente-Methode approximiert, was zu einem linearen Gleichungssystem führt. Auf dieser Grundlage wird ein Finite-Elemente-Modell der äußeren Haarsinneszelle entwickelt. Die zur Beschreibung notwendigen Systemmatrizen – insbesondere die Dämpfungsmatrix – basieren dabei vollständig auf einem viskoelastischen Materialgesetz. Die benutzte Methodik läßt weiterhin eine effiziente Berechnung im Frequenzbereich zu. Es zeigt sich, daß eine spezielle Dämpfungsformulierung die experimentell bestimmten dynamischen Eigenschaften der Zelle adäquat widerspiegelt. Eine Analyse auf Materialgesetzebene zeigt, daß dafür reine Schubdämpfung und damit eine spezielle Anisotropie im Viskositätstensor verantwortlich ist. Diese Eigenschaft bestimmt das dynamische Verhalten der äußeren Haarsinneszelle bis mindestens 10 kHz und liegt damit im Hörbereich. Der Modellierung der Zelle geht eine angepaßte Auswertung der experimentell ermittelten Daten voraus. Die mechanisch geeignete Auswertung der zugrundeliegenden Experimente weist dabei auf mögliche Fehlerquellen bei der Analyse der Rohdaten hin. Das hat zur Konsequenz, daß der experimentellen Umgebung die gleiche Aufmerksamkeit geschenkt werden muß wie dem Meßobjekt selbst. Nur so kann eine geeignete Extraktion der für das Meßobjekt spezifischen Eigenschaften erfolgen.

Das Innenohr des Säugetieres ist ein hochspezialisiertes sensorisches System, das durch ein komplexes mechanisches Verhalten gekennzeichnet ist. Neben der komplizierten Morphometrie und Geometrie kommen auch dem richtungsabhängigen Materialverhalten eine wesentliche Bedeutung zu. Es zeigt sich, daß im Cortischen Organ mit der äußeren Haarsinneszelle ein Zelltyp vorliegt, der durch seine physikalischen Eigenschaften das Gesamtverhalten des Innenohres maßgeblich beeinflußt. Wie jede tierische Zelle weist die äußere Haarsinneszelle als biomechanisches System eine heterogene Mikrostruktur auf. Vom mechanischen Standpunkt aus gesehen, ist neben der mehrschichtigen basolateralen Zellwand jede Einzelzelle durch ein viskoses inneres Fluid (Zellplasma) und einen Zellkern (Nukleus) gekennzeichnet. Die resultierenden mechanischen Eigenschaften des Gesamtsystems ”äußere Haarsinneszelle” können durch Experimente und eine geeignete Modellierung determiniert werden. In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Bestimmung der viskoelastischen Materialeigenschaften der basolateralen Wand vorgestellt. Durch Anwendung einer effektiven Fluid-Struktur-Interaktion wird das Gesamtsystem geschlossen untersucht und eine umfangreiche Materialparameterstudie durchgeführt. Dabei werden im Rahmen der Kontinuumsmechanik gültige Materialgesetze angewendet. Das durch partielle Differentialgleichungen formulierte mechanische Feldproblem wird im Rahmen der Finiten-Elemente-Methode approximiert, was zu einem linearen Gleichungssystem führt. Auf dieser Grundlage wird ein Finite-Elemente-Modell der äußeren Haarsinneszelle entwickelt. Die zur Beschreibung notwendigen Systemmatrizen – insbesondere die Dämpfungsmatrix – basieren dabei vollständig auf einem viskoelastischen Materialgesetz. Die benutzte Methodik läßt weiterhin eine effiziente Berechnung im Frequenzbereich zu. Es zeigt sich, daß eine spezielle Dämpfungsformulierung die experimentell bestimmten dynamischen Eigenschaften der Zelle adäquat widerspiegelt. Eine Analyse auf Materialgesetzebene zeigt, daß dafür reine Schubdämpfung und damit eine spezielle Anisotropie im Viskositätstensor verantwortlich ist. Diese Eigenschaft bestimmt das dynamische Verhalten der äußeren Haarsinneszelle bis mindestens 10 kHz und liegt damit im Hörbereich. Der Modellierung der Zelle geht eine angepaßte Auswertung der experimentell ermittelten Daten voraus. Die mechanisch geeignete Auswertung der zugrundeliegenden Experimente weist dabei auf mögliche Fehlerquellen bei der Analyse der Rohdaten hin. Das hat zur Konsequenz, daß der experimentellen Umgebung die gleiche Aufmerksamkeit geschenkt werden muß wie dem Meßobjekt selbst. Nur so kann eine geeignete Extraktion der für das Meßobjekt spezifischen Eigenschaften erfolgen.

Au cours de ces travaux de thèse, la résolution de problèmes non-linéaires en interaction forte entre une structure et un fluide a été étudiée par une approche partitionnée. La stabilité, la convergence et les performances de différents schémas de couplages explicites et implicites ont été explorées. L'approche partitionnée autorise la réutilisation des codes existants dans un contexte plus général. Un des objectifs de nos travaux est de les utiliser comme des boites noires, dont on n'a pas le besoin de connaitre le fonctionnement interne. A cette fin, la technologie des composants et le middleware CTL ont été utilisés. Ainsi, deux composants basés sur des codes existants pour le fluide et la structure ont été développés puis couplés par une approche de type code maître.Les performances de différentes architectures de composants aussi bien que la communication entre composants parallélisés sont décrites dans ce document. La réutilisation de codes existants permet de profiter au plus vite des modèles avancés développés de manière spécifique pour nos sous-problèmes. Pour la partie solide, par exemple, il est possible d'utiliser différents modèles éléments finis en grandes déformations avec des matériaux non-linéaires. Pour la partie fluide, nous avons choisi une approche arbitrairement Lagrangienne-Eulérienne, et la résolution par volumes finis. Différents régimes d'écoulements instationnaires aussi bien incompressibles (modélisés alors par les équations de Navier-Stokes) qu'à surfaces libres sont ici considérés. La description de phénomènes tels que le déferlement des vagues et leur impact sur des structures est ainsi rendu possible / A partitioned approach is studied to solve strongly coupled nonlinear fluid structure interaction problems. The stability, convergence and performance of explicit and implicit coupling algorithms are explored. The partitioned approach allows to re-use existing codes in a more general context. One purpose of this work is to be able to couple them as black-boxes. To that end, the scientific software component framework CTL is considered. Therefore a fluid and a structure component based on existing software are developed and coupled with a master code approach. Computational performance of different remote calls and parallel implementation of components are also depicted herein. The re-use of existing software allows to couple advanced models developed for both sub-problems. In this work, the structure part is solved by the Finite Element Method, with the possibility to use different non-linear and large deformation behaviors. For the fluid part, examples modeled with an arbitrary Lagrangian Eulerian formulation are considered, solved with a finite volume method. The models used are first transient incompressible flows described by the Navier-Stokes equation, then free surface flows. With the latter, the impact of sloshing and breaking waves on model structures can be computed / In dieser Doktorarbeit wird ein partiotionierter Ansatz zur Lösung nichlinearer stark gekoppelter Fluid-Struktur-Interaktionsprobleme behandelt. Dabei werden die Stabilität, die Konvergenz und die Performanz expliziter und impliziter Kopplungsalgorithmen untersucht. Der partitionierte Ansatz ermöglicht die Wiederverwendung von existierender Software in einem allgemeineren Kontext. Ein Ziel dieser Arbeit ist hierbei die Nutzung dieser Software als Blackboxen. Hierzu verwenden wir das komponentenbasierte Framework CTL. Die existierenden Simulationscodes für das Strömungs- und das Strukturproblem werden als CTL Komponenten umgesetzt und über einen Mastercode gekoppelt. Die Performanz des Gesamtsystems wird hinsichtlich unterschiedlicher Komponentenbindungen und der parallelen Implementierungen der Simulationskomponenten analysiert. Existierende Simulationscodes weisen mitunter viele Mannjahre Entwicklungszeit auf, bieten auf die einzelnen Probleme abgestimmte numerische Verfahren und unterstützen unterschiedliche Modelle des betrachteten physikalischen Fachgebietes. Daher ist eine Wiederverwendung erstrebenswert. Der Strukturteil wird über die Finite Elemente Methode approximiert, wobei groé Deformationen und verschiedene nicht-lineare Materialmodelle unterstützt werden. Auf der Strömungsseite werden Beispielprobleme (von instationären inkompressiblen Strömungen zu Strömungen mit freier Oberäche) herangezogen, die mit der Arbitrary Lagrangian Eulerian Methode formuliert und der Finite Volumen Methode diskretisiert werden

This thesis presents a numerical method for the simulation of fluid-structure interaction (FSI) problems on high-performance computers. The proposed method is specifically tailored to interactions between Newtonian fluids and a large number of slender viscoelastic structures, the latter being modeled as Cosserat rods. From a numerical point of view, such kind of FSI requires special techniques to reach numerical stability. When using a partitioned fluid-structure coupling approach this is usually achieved by an iterative procedure, which drastically increases the computational effort. In the present work, an alternative coupling approach is developed based on an immersed boundary method (IBM). It is unconditionally stable and exempt from any global iteration between the fluid part and the structure part. The proposed FSI solver is employed to simulate the flow over a dense layer of vegetation elements, usually designated as canopy flow. The abstracted canopy model used in the simulation consists of 800 strip-shaped blades, which is the largest canopy-resolving simulation of this type done so far. To gain a deeper understanding of the physics of aquatic canopy flows the simulation data obtained are analyzed, e.g., concerning the existence and shape of coherent structures.

Der mit flüssigem Natrium gefüllte Druckbehälter eines Präzessionsexperimentes unterliegt im Betrieb einer Vielzahl an Belastungen. Neben den aus der Rotation und Präzession resultierenden Fliehkräften und dem gyroskopischen Moment müssen ebenfalls die fertigungsbedingten Unwuchten sowie die Fluid-Struktur-Interaktion berücksichtigt werden. Darüber hinaus stellen die bei der Erwärmung bzw. Abkühlung auftretenden thermischen Spannungen eine wesentliche Beanspruchung dar. Es wird ein Algorithmus vorgestellt, der es ermöglicht, alle diese transienten und winkelabhängigen Lasten bei minimalem Rechenaufwand in den Berechnungsprozess einzubeziehen und die für den statischen und zyklischen Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie maßgeblichen Beanspruchungen zu identifizieren. Dies ermöglicht die vollflächige Berechnung des Auslastungsgrades in ANSYS Workbench.

In diesem Beitrag wird die Wirksamkeit statischer Mischer in verschiedenen Anordnungen und Strömungskonfigurationen untersucht. Auf Grundlage umfangreicher numerischer Untersuchungen werden die Anwendungsgrenzen von spiralförmigen statischen Mischern zur Verbesserung des Wärmeübergangs in Kühlkanälen von Werkzeugmaschinen aufgezeigt. Die numerischen Simulationen wurden mit der kommerziellen Computational-Fluid-Dynamics (CFD)-Software, ANSYS Fluent 2020 R2, durchgeführt. Diese Studie zeigt, dass es einen optimalen Anwendungsbereich für statische Mischer als Wärmeaustauschverstärker in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit, dem übertragenen Wärmestrom und der Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugs gibt. Die Untersuchungen in diesem Beitrag beschränken sich auf einphasige Strömungen in kreisförmigen Querschnitten und geraden Kanalgeometrien. Als repräsentatives Anwendungsbeispiel für eine Werkzeugmaschine wird die Kühlung eines einfachen Spritzgießwerkzeugs untersucht. Die durchgeführten Analysen zeigen, dass der Einsatz von statischer Mischelemente zur Verbesserung der Wärmeübertragung sehr effektiv ist, insbesondere bei Strömungen mit niedrigen bis mittleren Reynoldszahlen, konturnaher Kühlung, hohen Wärmestromwerten sowie hoher Wärmeleitfähigkeit des Werkzeugmaterials. / In this contribution, the effectiveness of helical static mixers in different arrangements and flow configurations/regimes is explored. By means of a thorough numerical analysis the application limits of helical static mixers for the heat transfer enhancement inside cooling channels of machine tools is provided. The numerical simulations were processed with the commercial finite volume Computational Fluid Dynamics (CFD) code, ANSYS Fluent 2020 R2. This study shows that there exists an optimal range of application for static mixers as heat exchange intensifier depending on the flow speed, the transmitted heat flow and the thermal conductivity of the tool. The investigations of this contribution are restricted to single-phase flow in circular cross-sections and straight channel geometries. As a representative application example for a machine tooling, the cooling of a simple injection mould is investigated. The research carried out reveals that the application of static mixing elements for enhancement of heat transfer is very effective, particularly for fluid flow with low to medium Reynolds numbers, close-contour cooling, high values of heat fluxes as well as high thermal conductivity of the tooling material.

In this thesis, a miniaturized energy harvester system is developed. The energy harvester converts fluid kinetic energy into electrical energy without using any rotating components. The working principle of the energy harvester is based on the so called vortex-induced vibration. Such systems have the potential to provide energy for wireless sensor networks in the field of inline measurements for gas, oil or water transportation systems. The theoretical background of the vortex-induced vibration (VIV) is studied. Based on the studies, a fluid-structure interaction simulation is carried out to optimize the structure of the energy harvester. As result, the conversion efficiency is significantly improved, which is experimentally confirmed. A series of demonstrators are manufactured according to the simulation and optimization results. It is tested on a self-constructed test bench. To further improve the performance, an electromagnetic generator is proposed, and therefore, a multimethod demonstrator realized. The demonstrators are working in air flow already at a velocity of 2 m/s, and reach the maximum efficiency at 3.6 m/s. This performance ranks among the best published results and is discussed in detail. / In der vorliegenden Arbeit wird ein miniaturisiertes Energiegewinnungssystem entwickelt, das unter Verzicht auf rotierende Komponenten kinetische Strömungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Die Funktion dieses Wandlers basiert auf der sogenannten wirbelinduzierten Vibration. Derartige Systeme besitzen unter anderem das Potenzial, drahtlose Sensornetzwerke zur Erfassung von Messdaten in Gas-, Öl- oder Wassertransportsystemen mit Energie zu versorgen zu können. In der Arbeit wird der theoretische Hintergrund der wirbelinduzierten Vibration untersucht und darauf basierend werden Fluid-Struktur-Wechselwirkungssimulationen zur Strukturoptimierung durchgeführt in deren Ergebnis eine theoretische Verbesserung der Effizienz des Wandlers um ein Mehrfaches erreicht wird, die auch praktisch bestätigt wird. Unter Berücksichtigung der Simulations- und Optimierungsergebnisse wurden eine Reihe von Demonstratoren gefertigt, die auf einem selbst konstruierten Prüfstand getestet wurden. Zur weiteren Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Wandlers wird ein zusätzlicher elektromagnetischer Generator vorgeschlagen und damit ein Multi-Methoden-Demonstrator technisch realisiert. Die Demonstratoren arbeiten in strömender Luft bereits bei Geschwindigkeiten von 2 m/s und erreichen bei 3,6 m/s ihre maximale Effizienz. Die erreichten Ergebnisse ordnen sich im Vergleich mit denen aus entsprechenden Publikationen vorn ein und werden ausführlich diskutiert.

In this thesis, a miniaturized energy harvester system is developed. The energy harvester converts fluid kinetic energy into electrical energy without using any rotating components. The working principle of the energy harvester is based on the so called vortex-induced vibration. Such systems have the potential to provide energy for wireless sensor networks in the field of inline measurements for gas, oil or water transportation systems. The theoretical background of the vortex-induced vibration (VIV) is studied. Based on the studies, a fluid-structure interaction simulation is carried out to optimize the structure of the energy harvester. As result, the conversion efficiency is significantly improved, which is experimentally confirmed. A series of demonstrators are manufactured according to the simulation and optimization results. It is tested on a self-constructed test bench. To further improve the performance, an electromagnetic generator is proposed, and therefore, a multimethod demonstrator realized. The demonstrators are working in air flow already at a velocity of 2 m/s, and reach the maximum efficiency at 3.6 m/s. This performance ranks among the best published results and is discussed in detail. / In der vorliegenden Arbeit wird ein miniaturisiertes Energiegewinnungssystem entwickelt, das unter Verzicht auf rotierende Komponenten kinetische Strömungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Die Funktion dieses Wandlers basiert auf der sogenannten wirbelinduzierten Vibration. Derartige Systeme besitzen unter anderem das Potenzial, drahtlose Sensornetzwerke zur Erfassung von Messdaten in Gas-, Öl- oder Wassertransportsystemen mit Energie zu versorgen zu können. In der Arbeit wird der theoretische Hintergrund der wirbelinduzierten Vibration untersucht und darauf basierend werden Fluid-Struktur-Wechselwirkungssimulationen zur Strukturoptimierung durchgeführt in deren Ergebnis eine theoretische Verbesserung der Effizienz des Wandlers um ein Mehrfaches erreicht wird, die auch praktisch bestätigt wird. Unter Berücksichtigung der Simulations- und Optimierungsergebnisse wurden eine Reihe von Demonstratoren gefertigt, die auf einem selbst konstruierten Prüfstand getestet wurden. Zur weiteren Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Wandlers wird ein zusätzlicher elektromagnetischer Generator vorgeschlagen und damit ein Multi-Methoden-Demonstrator technisch realisiert. Die Demonstratoren arbeiten in strömender Luft bereits bei Geschwindigkeiten von 2 m/s und erreichen bei 3,6 m/s ihre maximale Effizienz. Die erreichten Ergebnisse ordnen sich im Vergleich mit denen aus entsprechenden Publikationen vorn ein und werden ausführlich diskutiert.