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Weimar Open Access

Ein simultanes Lösungsverfahren für Fluid-Struktur-Wechselwirkungen aus dem Bereich des Bauingenieurwesens wird vorgestellt. Die Modellierung der Tragwerksdynamik erfolgt mit der geometrisch nichtlinearen Elastizitätstheorie in total Lagrangescher Formulierung. Die Strömung wird mit den inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben. Wenn Turbulenzeffekte massgeblich sind, kommen die Reynolds-Gleichungen in Verbindung mit dem k-omega-Turbulenzmodell von Wilcox zum Einsatz. Zur Beschreibung von komplexen freien Oberflächen wird die Level-Set-Methode eingesetzt. Die einheitliche Diskretisierung von Fluid und Struktur mit der Raum-Zeit-Finite-Element-Methode führt zu einem konsistenten Berechnungsmodell für das gekoppelte System. Da die isoparametrischen Raum-Zeit-Elemente ihre Geometrie in Zeitrichtung ändern können, erlaubt die Methode eine natürliche Beschreibung des infolge der Strukturbewegung zeitveränderlichen Strömungsgebiets. Die gewichtete Integralformulierung der Kopplungsbedingungen mit globalen Freiwerten für die Interface-Spannungen sichert eine konservative Kopplung von Fluid und Struktur. Ausgewählte Anwendungsbeispiele zeigen die Leistungsfähigkeit der entwickelten Methodik und belegen die guten Konvergenzeigenschaften des simultanen Lösungsverfahrens.