Pantle Beratung CFD - CAA - FSI
Aktivitäten // Activities
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Lebenslauf & Publikationen CV & Publications Vorlesungen/Lectures |
CFD: Computational Fluid Dynamics
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Entwicklung numerischer Methoden für Strömungssimulationen
- Navier-Stokes (3D, kompressibel)
- Turbulenzmodellierung
- Large Eddy Simulation
- Transition
- Aero-Akustik
- Hydro-Akustik
- Fluid-Struktur Interaktion
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Beispiel: Simulation der Nasenströmung
- Definition der Simulationsgeometri aus CT-Scans
- Netzgenerierung
- CFD-Simulationen diverser Zustände (Einatmen, Ausatmen, beides, daher stationär, instationär)
- Ziele: Untersuchung des allgemeinen Strömungsverhaltens, Geometrieeffekte, Strömungstransport zur Riechschleimhaut, turbulente und laminare Gebiete
- Langfristig: virtueller OP-Saal mit Hilfe von Virtual Reality (VR) Methoden
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Axiale CT-Scans eines Patienten |
Nasenloch (Strömungs- und Strukturnetz) |
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Geometrie, Block-struktur und Randbedingungen, rechte Nasenhälfte, Blick von links |
Geometrie, Block-struktur und Randbedingungen, rechte Nasenhälfte, Blick von rechts |
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Stromlinien durch die Nase |
CFD: Computational Fluid Dynamic
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Development of numerical simulation methods for
- Navier-Stokes (3D, compressible)
- Turbulence modeling
- Large Eddy Simulation
- Transition
- Aero-Acoustics
- Hydro-Acoustics
- Fluid-Structure Interaction
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Example: Nose Flow Simulation
- Definition of calculation geometry from CT-scans
- Meshing
- CFD-simulations of various stages (breathe-in, breathe-out, both, therefore steady, unsteady)
- Aims: investigation of general flow behaviour, geometrical effects, flow transport to the olfactoric region, turbulent and laminar regions
- Long term: virtual surgery room with the help of virtual reality
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Axial CT scans of a patien |
Nostril (flow mesh with structure mesh) |
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Geometry, block structure and boundary conditions, right half of nose, view from left |
Geometry, block structure and boundary conditions, right half of nose, view from right |
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Stream lines through nose |
CAA: Computational Aero-Acoustics
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Numerische Aero- und Hydro-Akustik
- CFD und akustische Berechnungen kombiniert in einem hybriden Verfahren
- Für offene Strömungen und Fernfeldverhalten: Akustische Analogie nach Ffowcs- Williams und Hawkings (1996), ein integraler Ansatz, Bestimmung von Schalldruckspektren an diskreten Beobachterpunkten
- Für halb-offene/geschlossene Strömungen: Störungsgleichungen (z.B. Linearisierte Euler Gleichungen), ein Feldansatz, Bestimmung der räumlichen Wellenausbreitung
- CFD-Simulation (z.B. Large Eddy Simulation) liefert detaillierte akustische Quellinformation der Strömung
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Akustische Analogie: Large Eddy Simulation der
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Akustische Analogie: Frequenzspektrum (schmalbandig) der
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Störungsgleichungen: Ausbreitung eines Druckpulses in einem von Wänden umgebenen Würfel |
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Störungsgleichungen: RANS Simulation der Kármán′schen Wirbelstraße, dargestellt: Strömungsdruck |
Störungsgleichungen: RANS Simulation der Kármán′schen Wirbelstraße, dargestellt: Schalldruck |
CAA: Computational Aero-Acoustics
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Numerical Aero- and Hydro-Acoustics
- CFD and acoustical calculations combined in a hybrid approach
- For open flow situations and far field evaluation: Acoustical Analogy according to Ffowcs- Williams and Hawkings (1996), an integral approach, evaluation of sound pressure spectra at discretized observer points
- For semi-open/closed flow situations: perturbation equations (e.g. Linearized Euler Equations), a field approach, evaluation of spacial wave propagatio
- CFD-simulation (e.g. Large Eddy Simulation) provides detailed acoustical source information of fluid flow
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Acoustical Analogy: Large Eddy Simulation of
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Acoustical Analogy: frequency spectrum (narrow band) of
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Perturbation equations: propagation of pressure pulse in a cube surrounded by walls |
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Perturbation equations: RANS simulation of Kármán Vortex Street, displayed: fluid pressure |
Perturbation equations: RANS simulation of Kármán Vortex Street, displayed: acoustic pressure |
FSI: Fluid-Struktur-Interaktion
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Kombination von Fluid- und Struktur-Solver
- Berechnnung von Festkörperbewegung im niederen und mittleren Frequenzbereich
- Fluid-Solver: SPARC (Fachgebiet Strömungsmaschinen, Univ. Karlsruhe), ein parallelisierter, 3D, Navier-Stokes Solver, kompressibel, mit verschiedenen Turbulenzmodellen und LES
- Struktur-Solver: Z88 (Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD, Univ. Bayreuth)
- Steuerungsschnittstelle koppelt Fluid- und Struktur-Code
- Ziele: Untersuchung von Strukturanregung durch Strömungsphänomene
- Langfristig: Schallerzeugung und Schalltransport durch Strukturanregung
- Anwendung: Schwingungen fluid-mechanischer Systeme (z.B. hydraulische Systeme, Pumpensysteme), biomedizinische Strömungen etc.
- Anforderungen:
hochgenaue Interpolationstechniken zwischen den im wesentlichen unterschiedlichen Netztypen der Simulationsdomänen von Fluid und Struktur
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Beispiel: Instationäre Umströmung eines quadratischen Zylinders mit einer dünnen Platte im Nachlauf |
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Schwingende Platte im Nachlauf einer Zylinderumströmung |
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Prinzip |
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Prinzip des Informationstransfers zwischen Netzen |
Skizze zur Interpolation auf gekrümmten Flächen |
FSI: Fluid Structure Interaction
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Combination of fluid and structural solver
- Calculation of structural movement in the low- and mid-frequency range
- Fluid solver: SPARC (Institut of Fluid Machinery, Univ. of Karlsruhe), a parallelized, 3D, Navier-Stokes solver, compressible, with various turbulence models and LES
- Structural solver: Z88 (Institute of Construction and CAD, Univ. of Bayreuth)
- Steering interface coupling the fluid and the structural code
- Aims: investigation of structural excitation through flow phenomena
- Long term: sound generation and sound transport by structural excitations
- Applications: vibrations of fluid mechanical systems (e.g. hydraulic systems, pump installations), biomedical flows etc.
- Requirements:
highly accurate interpolation techniques between the mainly different mesh configurations of fluid flow and structural calculation domains
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Example: Unsteady Flow Around a Squared Cylinder with a Thin Flat Plate in the Wake |
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Swinging Plate in the Wake of a Flow Around a Cylinder |
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Principle |
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Principle of information transfer between meshes |
Sketch for the interpolation on curved surfaces |