Transferpfad-Modellierung von strömungsinduziertem Schall, verursacht durch ein eingekapseltes hydraulisches System

Aktivität: Vortrag oder PräsentationVortrag bei Workshop, Seminar oder KursScience to science

Beschreibung

### Problemstellung

Um Erzeugung, Transfer, sowie Emission von strömungsinduziertem Schall von einem eingekapselten hydraulischen System in einer passiven Knieprothese zu modellieren, müssen folgende Ziele erreicht werden:
1. Modellierung der turbulenten Strömung eines Öls im Inneren des hydraulischen Systems, sodass sowohl alle relevanten turbulenten Skalen aufgelöst werden als auch alle abgelösten Wirbel erfasst werden.
2. Effiziente, robuste strukturmechanische Modellierung der Einhausung mit Koppelung an das Strömungsgebiet als auch das umgebende akustische Ausbreitungsgebiet.

Das hydraulische System besteht aus einem Doppelkammerzylinder, bei dem die beiden Kammern über dünne Strömungskanäle verbunden sind. Durch Ventile in den Strömungskanälen kann auf diese Weise der Strömungswiderstand eingestellt werden. Aufgrund starker Querschnittsverengungen in den Ventilen und daraus resultierenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten entstehen Gebiete turbulenter Strömung trotz der hohen Viskosität des Öls. Desweiteren entstehen durch ungünstige Strömungsführung Scherschichten, welche unter bestimmten Strömungsbedingungen Kelvin-Helmholtz Instabilitäten ausbilden können.

### Methode

Die geringen Strömungsgeschwindigkeiten im Kolben erlauben das gekapselte Problem durch ein quasi-stationäres Problem zu ersetzen, indem die beiden Kolbenflächen durch Ein- bzw. Auslass Randbedingungen ersetzt werden. Um die turbulenten Skalen entsprechend aufzulösen, wurde eine Stress-Blended Eddy Simulation (vergleichbar einer Detached Eddy Simulation) verwendet. Das Fluid wurde dabei sowohl inkompressibel, als auch über eine isotherme Tait-Zustandsgleichung als schwach kompressibel modelliert.

Die zahlreichen Verbindungselemente erlauben durch die unbekannten Kontaktsteifigkeiten und -dämpfungen kein vollständiges Feldsimulationsmodell. Das vibroakustische Problem soll daher durch modale Synthese beschrieben werden. Desweiteren ist geplant, durch dynamische Substrukturierung Komponenten unterschiedlicher Steifigkeiten unabhängig voneinander mittels experimenteller Ansätze oder FE Modellen zu beschreiben.

### Ergebnis & Validierung

Die Auswertung der Strömungsfelder der inkompressiblen bzw. schwach kompressiblen Strömungssimulationen zeigt, dass die hochturbulenten Quellgebiete erwartungsgemäß aufgelöst werden. In diesen Gebieten treten breitbandige Druckfluktuationen auf. In Regionen mit abgelösten Scherschichten, im speziellen im Einlasskanal eines Ventils, treten in der kompressiblen Simulation Scherschichtinstabilitäten auf, welche mit dem inkompressiblen Fluid-Modell nicht zuverlässig aufgelöst werden können. Dies spricht für eine Rückkoppelung von kompressiblen Effekten auf die Scherschicht ähnlich einer Rossiter Mode.

Als Validierungsdaten liegen vorerst ausschließlich Mikrophonaufnahmen sowie Beschleunigungsdaten des Prothesengehäuses vor. Die Existenz der speziellen Scherschichtinstabilität am Ventileinlass konnte damit durch Vergleich zweier Strömungskanäle mit unterschiedlichem Ventileinlass nachgewiesen werden.

Die experimentelle Modalanalyse einzelner Strukturkomponenten zeigt einen signifikanten Einfluss des im System vorhandenen Hydrauliköls auf die Eigenfrequenzen. Daher sollen bei der Modellierung der Struktur die dynamischen Eigenschaften des ruhenden Fluids mitberücksichtigt werden.

### Offene Fragestellungen

1. Da sowohl fluiddynamische als auch gekoppelte fluiddynamisch-akustische Quellmechanismen in der Strömung enthalten sind, besteht die Notwendigkeit, das Hydraulikfluid kompressibel zu modellieren. Dies macht allerdings die Wahl der Randbedingungen eines quasi-stationären Setups inkonsistent. Es wird daher nach einer Alternative zu einer kompressiblen Simulation mit Gitterdeformation gesucht (mögliche Ansätze: inkompressibel mit seperater Detektion von gekoppelten Instabilitäten oder kompressibel ohne Gitterdeformation mit konsistenten Randbedingungen).
2. Aufgrund der erforderlichen Effizienz und dem gewählten Ansatz der Strukturmodellierung ist eine Simulation der voll gekoppelte Fluid-Struktur-Akustik-Interaktion nicht möglich. Daher soll eine Methode gefunden werden, welche die (kompressible) Strömungssimulation mit einem (empirischen) Modell der Struktur und dem ruhenden Fluid koppeln kann.
Zeitraum24 Nov. 2022
EreignistitelWorkshop Strömungsschall in Luftfahrt, Fahrzeug- und Anlagentechnik
VeranstaltungstypWorkshop
OrtBraunschweig, DeutschlandAuf Karte anzeigen
BekanntheitsgradInternational