Gekoppelte numerische Strukturanalyse

Temperaturverteilung auf einer heißen Steuerklappe, ohne und mit gekoppelter Analyse

Die optimale Auslegung von Hochtemperaturstrukturen bedingt eine Kopplung unterschiedlicher numerischer Analysewerkzeuge, wie z.B. in den Bereichen Struktur- (FEM) und Strömungsanalyse (CFD), um die wechselseitige Beeinflussung korrekt wiederzugeben. Insbesondere im Hochtemperaturbereich, wenn die durch Strahlung übertragene Energie eine signifikante Rolle spielt, treten aufgrund der Abhängigkeit von der Temperatur in der 4. Potenz Konvergenzprobleme in der Analyse auf. Hinzu kommt, dass sich das Wärmeübergangsverhalten von der Heißgasströmung auf die Wand bei Erwärmung verändert. Handelt es sich dann noch um stark transiente Prozesse, sind gekoppelte Analysen unabdingbar für korrekte Resultate.

So wurde beispielsweise für die gekoppelte Berechnung von Thermalschutzsystemen und anderen heißen Strukturen, die in einer Wechselwirkung mit einem hypersonischen Strömungsfeld stehen, im Rahmen des DLR-Projektes IMENS eine Kopplungsumgebung entwickelt, die einen Austausch zwischen dem Strömungslöser TAU und der Strukturanalyse mittels des Finite Elemente Programms ANSYS ermöglicht. Die gekoppelte Analyse zeigte insbesondere in Strukturbereichen mit hohen Temperaturunterschieden (lokalen Gradienten), dass aufgrund von Wärmeleitung in Richtung des Temperaturgradienten die zunächst erwarteten Temperaturspitzen deutlich reduziert werden. Ein Ergebnis, was insbesondere für das Projekt SHEFEX mit seiner facettierten Oberfläche von großer Bedeutung war.

Ein ganz anderes Problem stellt die Analyse durchströmter poröser Festkörper dar, wie man es als Problemstellung im Falle einer effusiv gekühlten Brennkammerstruktur oder ganz allgemein bei aktiv gekühlten Strukturen via Transpiration/Effusion hat. Durch eine Softwareerweiterung können nun mit dem FE-Programm PANDAS solche Kühlprozesse simuliert werden. Das Modell basiert dabei auf der Kontinuumsmechanik von Mehrphasenmaterialien und erlaubt die gekoppelte Analyse eines deformierbaren, porösen, von einem Fluid durchströmten und thermisch belasteten Körpers.