FSI-Beispiel 5: Druckwellenausbreitung 3d-Modellierung

Durch diese Finite-Element-Modellierung der Druckwellenausbreitung ist es möglich,

• direkt die komplexe Wellenausbreitungen mit Wellenreflexionen (z.B. durch Krümmer) zu beschreiben und

• direkt die Spannungen in angeschlossenen Bauteilen oder der Rohrwand zu analysieren.

Als Beispiel wird hier die Ausbreitung einer Druckwelle in einem Rohrleitungssystem dargestellt, wobei am Ende die Umlenkung der Strömung durch eine stark vereinfachte Armatur stattfindet. Die Rohrwand wird durch Schalenelemente modelliert. Der zeitliche Spannungsverlauf in der angeschlossenen, vereinfachten Armatur kann direkt und gekoppelt mit der Strömung berechnet und dargestellt werden. Somit können kritische Unterdruckbereiche (Kavitation) lokalisiert werden, z.B. wird der lokale Unterdruck infolge einer Rohrverengung, mit dem durch eine "Saugwelle" verursachten Unterdruck gekoppelt berechnet. Diese gekoppelte Modellierung gestattet es zu beurteilen, ob eine kritische Unterdruckgrenze im Strömungsraum erreicht wird.

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Bild 1: Animation der Druckwelle: Spannungsverteilung in der Armatur und der Rohrwand, Geschwindigkeitsvektoren im Fluidraum, Schnitt durch die Rohrmittellinie (Symmetrie)   

 Bild 2 : Detail der idealisierten Armatur: Spannungsverteilung in der Armatur durch Druckstoss