Pantle Beratung CFD - CAA - FSI

Aktivitäten // Activities



Dr.-Ing. Iris Pantle

Passbild Pantle

Expertisen/Expertises

CFD

CAA

FSI

Fakten/Facts

Publikationen/Publications

Lebenslauf/CV

Vorlesungen/Lectures


CFD: Computational Fluid Dynamics

    Entwicklung numerischer Methoden für Strömungssimulationen

  • Navier-Stokes (3D, kompressibel)
  • Turbulenzmodellierung
  • Large Eddy Simulation
  • Transition
  • Aero-Akustik
  • Hydro-Akustik
  • Fluid-Struktur Interaktion
    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

CT Scans

Netze Nasenloch

Axiale CT-Scans eines Patienten

Nasenloch (Strömungs- und Strukturnetz)

rechte Nasenhälfte, Blick von links

rechte Nasenhälfte, Blick von rechts

Geometrie, Block-struktur und Randbedingungen, rechte Nasenhälfte, Blick von links

Geometrie, Block-struktur und Randbedingungen, rechte Nasenhälfte, Blick von rechts

Stromlinien

Stromlinien durch die Nase


CFD: Computational Fluid Dynamic

    Development of numerical simulation methods for

  • Navier-Stokes (3D, compressible)
  • Turbulence modeling
  • Large Eddy Simulation
  • Transition
  • Aero-Acoustics
  • Hydro-Acoustics
  • Fluid-Structure Interaction
    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

CT scans

Nostril grids

Axial CT scans of a patien

Nostril (flow mesh with structure mesh)

right half of nose, view from left

right half of nose, view from right

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

Stream lines

Stream lines through nose


CAA: Computational Aero-Acoustics

    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

LES Wirbelstraße

Frequenzspektrum Wirbelstraße

Akustische Analogie: Large Eddy Simulation der
Kármán′schen Wirbelstraße

Akustische Analogie: Frequenzspektrum (schmalbandig) der
Kármán′schen Wirbelstraße (1. Harmonische)

Druckpuls

Störungsgleichungen: Ausbreitung eines Druckpulses in einem von Wänden umgebenen Würfel

Strömungsdruck Wirbelstraße

Schalldruck Wirbelstraße

Störungsgleichungen: RANS Simulation der Kármán′schen Wirbelstraße, dargestellt: Strömungsdruck

Störungsgleichungen: RANS Simulation der Kármán′schen Wirbelstraße, dargestellt: Schalldruck


CAA: Computational Aero-Acoustics

    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

LES of vortex street

Frequency spektrum of vortex street

Acoustical Analogy: Large Eddy Simulation of
Kármán Vortex Street

Acoustical Analogy: frequency spectrum (narrow band) of
Kármán Vortex Street (drag tone)

pressure pulse

Perturbation equations: propagation of pressure pulse in a cube surrounded by walls

fluid pressure vortex street

sound pressure vortex street

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

    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

Beispiel: Instationäre Umströmung eines quadratischen Zylinders mit einer dünnen Platte im Nachlauf

schwingende Platte in Wirbelstraße

Schwingende Platte im Nachlauf einer Zylinderumströmung

Prinzip

Prinzip des Informationstransfers zwischen Netzen

Skizze zur Interpolation auf gekrümmten Flächen

Prinzip des Informationstransfers zwischen Netzen

Skizze zur Interpolation auf gekrümmten Flächen


FSI: Fluid Structure Interaction

    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

Example: Unsteady Flow Around a Squared Cylinder with a Thin Flat Plate in the Wake

swinging plate in cylinder wake

Swinging Plate in the Wake of a Flow Around a Cylinder

Principle

Principle of information transfer between meshes

Sketch for the interpolation on curved surfaces

Principle of information transfer between meshes

Sketch for the interpolation on curved surfaces