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TU Berlin

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Preis der Baukammer Berlin 2017

Mit dem Preis der Baukammer soll die Vielseitigkeit des Bauingenieurwesens anhand von herausragenden und sich durch besondere Kreativität auszeichnenden Abschlussarbeiten an den Berliner Hochschulen und der Technischen Universität auf dem Gebiet des Bauingenieurwesens gezeigt werden. Es werden jährlich für die besten Studienabschlussarbeiten in den beiden Kategorien jeweils drei Preis, die insgesamt mit 3000,- Euro dotiert sind, ausgelobt. Jeder Preisträger kann außerdem für ein Jahr eine kostenlose Mitgliedschaft in der Baukammer Berlin erhalten. Die Preise werden im Rahmen einer feierlichen Veranstaltung verliehen.

Preisträger/in (3. Platz)

Lupe

Waldemar Elsesser M.Sc.

Betreuer

Die Bachelorarbeit mit dem Thema "High resolution modeling of the interaction of beam-like structures with flows" wurde am Fachgebiet für Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierung der TU Berlin.

Herr Elsesser wurde durch M.Sc. Tabea Broecker betreut und von Prof. Dr.-Ing. R. Hinkelmann und Prof. Dr.-Ing. Y. Petryna geprüft. Die Arbeit wurde mit der Note 1,0 bewertet.

Stifter / ausgelobt durch

Der Preis wird durch die Baukammer Berlin gestiftet.

Jury

Die Jury besteht aus einem mehrköpfigen Gremium von Mitgliedern der Baukammer Berlin aus unterschiedlichen Fachgebieten.

Zusammenfassung

Numerische Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) sind im Bauingenieurwesen ein Grundpfeiler für die Berechnung von Baukonstruktionen geworden, aber auch Fluide werden mit den passenden numerischen Werkzeugen, meist Finite-Volumen-Methoden (FVM), modelliert. Als interdisziplinäre Aufgabe steht die Berechnung von Fluid-Struktur-Interaktionen (FSI) vor einer Vielzahl an Problemen, um ein Gleichgewicht zwischen einer festen und flüssigen Phase innerhalb der numerischen Modellierung und Berechnung zu erlangen. In dieser Arbeit wurde die numerische Berechnung von FSI mit der Software foam-extend-4.0 auf mehreren Prozessoren parallel durchgeführt. Ziel war zunächst das Aneignen des Umgangs mit der Software, die anschließende theoretische Ausarbeitung der FSI Berechnung sowie die Anwendung auf zwei praxisbezogene Beispiele aus den Themengebieten Wasserwesen und Konstruktiver Ingenieurbau.

Die angewandte Lösungsmethode basiert auf einem partitionierten Ansatz, welcher Fluid und Festkörper separat mit der FVM löst. Dabei wird durch eine vorgegebene Anzahl an Subiterationen je Zeitschritt eine starke Kopplung zwischen den beiden Phasen erreicht. Die primären Variablen des Fluides sind der Geschwindigkeitsvektor und der Druck, welche aus den Navier-Stokes Gleichungen in der Eulerschen Betrachtungsweise (Zellen ortsfest) gewonnen werden. Im Gegensatz dazu werden beim Festkörper der Spannungstensor und der Verschiebungsvektor in Lagrangscher Betrachtungweise (Zellen körperfest), sowohl mit linearem als auch mit nichtlinearem Dehnungstensor berechnet. Auf Grund dieser Unterschiede in der Beschreibung der Kontinua müssen folgende Aspekte berücksichtigt werden:

  • Eine Betrachtungsweise, welche die Euler- und Lagrange-Darstellung mittelt, die sogenannte Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) Methode. Diese wird auf Fluidzellen nahe der Schnittstelle zwischen Festkörper und Fluid angewandt
  • Dynamische Netze der Fluiddomäne
  • Vorschrift zum Informationstransfer zwischen beiden Netzen
  • Kopplungsschema für eine starke Kopplung

Als erstes praktisches Beispiel wurde ein Betonturm als Rahmenausführung mit der Netzerstellungssoftware Gmsh erstellt. Der Turm ist 80 m hoch und 6 m breit und mit 39 horizontalen Elementen verstärkt. Durch ein quadratisches Geschwindigkeitsprofil mit einer maximalen Geschwindigkeit von 40 m/s wird er von einer Luftströmung angeregt. Da das Geschwindigkeitsfeld hohe Turbulenzen aufweist, wurden unterschiedliche Turbulenzmodelle angewendet.

Der zweite Anwendungsfall beinhaltet ein idealisiertes Bewuchselement in einer Wasserströmung. Das Objekt ist 25 cm hoch und wird von einem ebenfalls quadratischen Geschwindigkeitsprofil mit einer maximalen Geschwindigkeit von 0,5 m/s angeregt.

Mit Hilfe dieser Arbeit wurden erste Erfahrungen für die beiden betreuenden Fachgebiete zur Kopplung von Fluiden mit Festkörpern in FVM Darstellung gesammelt, zumal die herkömmliche Beschreibung der Festkörper in der Hydrosysemmodellierung auf einer starren Ausführung durch feste Berandung basiert. Die Ergebnisse deuten auf die Bedeutung von FSI hin, da die Festkörper durch ihre Flexibilität wesentlichen Einfluss auf die Strömung haben. Ebenfalls wurden Grenzen für diese Methode aufgezeigt, sodass die Anwendung von FSI mit einem stark gekoppelten partitionierten Ansatz und inkompressiblem Fluid nicht für jede Aufgabenstellung geeignet ist.

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