Fluid-structure interaction of flexible lifting bodies with multi-body dynamics of order-reduced models and the actuator-line method
Creators: name: Neumann, Sönke
Publisher: name: epubli GmbH
Year: 2016
Subjects: subject: fluid-structure interaction
subject: actuator-line method
subject: multi-body system
subject: vertical-axis turbine
subject: tidal turbine
subject: OpenFOAM
classificationCode: 620
subject: Ingenieurwissenschaften

description: Die Entwicklung von innovativen Quellen erneuerbarer Energie stellt neue Anforderungen an Simulationswerkzeuge. In dieser Dissertation werden modellbasierte Methoden zur Abbildung einer Fluid-Struktur-Interaktion am Beispiel einer Vertikalachsenturbine entwickelt. Die Kinematik einer Turbine wird durch einen Mehrkörperansatz mit flexiblen Körpern simuliert. Die Dynamik der flexiblen Körper ist durch ordnungsreduzierte Modelle repräsentiert. Die Fluiddynamik wird über Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Gleichungen in Verbindung mit einer Aktuatorlinienmethode abgebildet. Diese benutzt ein reduziertes Modell eines Tragfügels, der durch externe Kräfte in den Momentengleichungen angenähert wird. Die Kopplung von mechanischem und Fluid-Löser wird über einen iterativen Zwei-Wege-Ansatz durchgeführt. Die Konvergenzraten der Kopplung sind über eine Iterationsschrittvorhersage basierend auf quasi-Newton Methoden beschleunigt. Eine Vorhersage, die Systemdynamiken durch orthogonale Zerlegung (proper orthogonal decomposition) auflöst, erzielt die schnellsten Konvergenzraten. Alternativ zum partiellen ist ein monolithischer Ansatz skizziert und die Einschränkungen im Zusammenhang mit den gewählten Methoden identifiziert. Die Methoden sind mit Experimentdaten validiert und für Vertikalachsenturbinen in Luft und Wasser eingesetzt. Eine umfassende Validierung anhand von ungekoppelten Strömungsproblemen und gekoppelten, dynamischen Simulationen einer Turbine werden durchgeführt. Die Ergebnisse stimmen gut mit Experimentdaten und analytischen Lösungen überein. Der Vergleich zu Methoden basierend auf Potentialströmungen oder der double-multiple streamtube method (DMST) zeigt die höhere Genauigkeit des entwickelten Simulationsbaukasten. Im Vergleich zu verfügbaren, vollvermaschten Lösungen ist der Berechnungsaufwand signifikant geringer. Abschließend wird eine Vertikalachsenturbine für Gezeitenströmungen mit flexiblen Blättern simuliert und die Verbiegungen mit einem linearen Ansatz verglichen. Die lokalen Verbiegungen werden untersucht und in Verbindung zur Interaktion von Wirbeln und Auftriebskörper gesetzt.
description: The development of complex energy converters generates currently unresolved demands on simulation tools. In this thesis, a model-based method to represent fluid-structure interaction is developed using the example of vertical-axis turbines. The kinematics of a turbine are simulated with a multi-body approach supporting flexible bodies. The dynamics of the flexible bodies are based on order-reduced models. The fluid domain is represented by Reynolds-averaged Navier-Stokes equations combined with an actuator-line method, a reduced model of the blade approximated by external forces in the momentum equations. Coupling of mechanical and fluid solver is achieved by a two-way iterative approach. The convergence rate is increased by usage of a step prediction based on quasi-Newton methods. An acceleration using a proper orthogonal decomposition to decompose the system dynamics achieves the fastest convergence rates. As an alternative to the partitioned approach a monolithic approach is outlined and its restrictions by using the selected solvers are identified. The simulation method is validated with experimental data and applied to vertical-axis turbines, both in air and water domains. Extensive validation of uncoupled flow problems and coupled dynamic response of turbines is accomplished. The results are in good agreement with experimental data and analytic solutions. Comparison to potential flow and streamtube methods shows the enhanced accuracy of the developed tool chain. Compared to available, fully meshed solutions, the computational costs are significantly lower. Conclusively, a vertical-axis tidal turbine with flexible blades is simulated and deflections are compared to a linear solution. The local blade deflections are examined and linked to wake-body interaction.