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A reduced order model for the simulation of mooring cable dynamics
No full textIn this paper the feasibility of a reduced order model (ROM) for thehydroelastic analysis of mooring lines is analysed. The local response of a piece of cableis studied through high delity uid structure interaction (FSI) simulations. The high delity model is built by coupling a computational structural dynamics (CSD) solver witha computational uid dynamics (CFD) solver using the approach of software components.The ROM is designed in such a way that it can be added to any beam element from astandard CSD solver. From the outside only the beam degrees of freedoms (DOFs) canbe seen, the ROM DOFs are all internal.The local response of the cable is analysed andthe feasibility of the ROM is discusse
A reduced order model for the simulation of mooring cable dynamics
Full text linkIn this paper the feasibility of a reduced order model (ROM) for the
hydroelastic analysis of mooring lines is analysed. The local response of a piece of cable is
studied through high fidelity fluid structure interaction (FSI) simulations. The high
fidelity model is built by coupling a computational structural dynamics (CSD) solver with a
computational fluid dynamics (CFD) solver using the approach of software components. The ROM is
designed in such a way that it can be added to any beam element from a standard CSD
solver. From the outside only the beam degrees of freedoms (DOFs) can be seen, the ROM DOFs are
all internal.The local response of the cable is analysed and
the feasibility of the ROM is discusse
A Worked-out Example of Surrogate-based Bayesian Parameter and Field Identification Methods
No full textConcrete gravity dams model parameters updating using static measurements
Full text linkThe structural control of concrete gravity dams is of primary importance. In this context, numerical models play a fundamental role both to assess the vulnerability of gravity dams and to control their behaviour during normal operativity and after extreme events. In this regard, data monitoring represents an important source of information for numerical model calibrations. This study proposes a novel probabilistic procedure, defined in the Bayesian framework, to calibrate the parameters of finite elements models of dams. To this aim, monitoring data and the results of material tests are used as reference information. The computational burden is reduced by using a new hybrid-predictive model of the dam displacements. An application on an Italian dam shows the feasibility of the proposed procedure
A novel reduced order model for vortex induced vibrations of long flexible cylinders
No full textIn this manuscript the development of a reduced order model for the analysis of long flexible cylinders in an offshore environment is proposed. In particular the focus is on the modelling of the vortex induced vibrations (VIV) and the aim is the development of a model capable of capturing both the in-line and cross-flow oscillations. The reduced order model is identified starting from the results of a high fidelity solver developed coupling together a Finite Element Solver (FEM) with a Computational Fluid Dynamics (CFD) solver. The high fidelity analyses are conducted on a reduced domain size representing a small section of the long cylinder, which is nevertheless, already flexible. The section is forced using a motion which matches the expected motion in full scale, and the results are used for the system-parameter identification of the reduced order model. The reduced order model is identified by using a system and parameter identification approach. The final proposed model consists in the combination of a forced van der Pol oscillator, to model the cross-flow forces, and a linear state-space model, to model the in-line forces. The model is applied to study a full scale flexible model and the results are validated by using experiments conducted on a flexible riser inside a towing tank
Modellierung und Simulation von Gebäudeevakuierung in Notsituationen: Ein Agenten-basierter Ansatz
Full text linkEvacuation (from Latin ``evacuare'') is the expression which refers to the movement of people getting away from the source of hazard. In general, evacuations are complex in their dynamics due to the variation of the behavioural responses of individuals as part of evacuating crowds. Independent of the type of emergency, evacuation times are a common design measure for guaranteeing personal integrity for people inside of buildings. The accomplishment of design standards regarding evacuation times leads in practise to modifications of architectural design and construction materials of new buildings. Modifications in historic buildings are in contrary limited due to their cultural significance and difficulty of adaptation to modern safety standards. In addition to this, general safety regulations do not cover all aspects required for preventing fatal incidents due to evacuations. In this sense, the study of evacuation dynamics is relevant to the reduction of risk of fatal events.
The present thesis proposes a mathematical model for the description of the behavioural dynamics of controlled evacuations based on visual perception. The object-oriented model of PerPedES (Perceiving Pedestrian Evacuation Simulator), which was developed for this thesis, describes the global dynamics of an evacuation by means of individual rules. Walking direction and speed of the modelled pedestrians are obtained based on information derived from a model for visual perception utilising a modified ray-tracing. Within PerPedES, an individual criterion for moving decision motivated by psychological considerations is introduced. The resulting traces of simulated evacuations present similar characteristics to motion patterns described in literature. In particular, arch- and lane-formations, clogging-effect, overtaking- and collision-avoidance manoeuvres.
Within the context of risk reduction in the built environment, the presented behavioural model is applied in a case-study. In particular, for the analysis of the vulnerability of the occupants of the Uffizi Gallery in Florence, when pursuing an evacuation. In this thesis, mean evacuation times and individual walking speeds were computed together with the evacuation traces left by the occupant.Evakuierung (vom lateinischen Wort ``evacuare") beschreibt die Bewegung von Menschen weg von einer Gefährdung. Generell sind Evakuierungen komplex in ihrer Dynamik. Dies liegt begründet in der Individualität von menschlichen Reaktionen innerhalb von Menschenmengen. Für die Gewährleistung der Sicherheit von Personen innerhalb von Gebäuden ist die Evakuierungszeit, unabhängig von der Art einer Notsituation, von entscheidender Bedeutung. Die Umsetzung baulicher Standards mit Bezug auf Evakuierungszeiten führt in der Praxis zu Modifikationen an Architektur und Material neuer Gebäude. Modifikationen an historischen Gebäuden können hingegen aufgrund von Denkmalschutzbestimmungen modernen Sicherheitsstandards nicht genüge tragen. Zusätzlich dazu decken allgemeine Sicherheitsregulierungen nicht alle Aspekte ab, die erforderlich sind, um fatale Vorfälle auf Grund von Evakuierungen zu vermeiden. In diesem Sinne ist die Untersuchung der Dynamik von Evakuierungen für die Reduktion solcher fatalen Ereignisse von großer Bedeutung.
Die vorliegende Arbeit präsentiert ein mathematisches Modell für die Beschreibung des dynamischen Verlaufs von kontrollierten Evakuierungen, welches auf visueller Wahrnehmung basiert. Das Modell des für diese Arbeit entwickelten Objekt-orientierten Simulators PerPedES (Perceiving Pedestrian Evacuation Simulator) beschreibt die globale Dynamik einer Evakuierung auf Basis von individuellen Zuständen einzelner Modellfußfänger. Die Laufrichtung und Geschwindigkeit dieser Modellfußfänger wird auf Basis eines Modells für visuelle Wahrnehmung ermittelt, welches ein modifiziertes ray-tracing verwendet. Innerhalb von PerPedES wird ein individuelles Kriterium für Bewegungsentscheidungen eingesetzt, welches von psychologischen Betrachtungen motiviert ist.
Die aus Simulationen resultierenden Laufwege weisen ähnliche Charakteristika auf, wie in der Literatur dokumentiert. Nachvollzogen werden konnten insbesondere Bogen- und Schlangenformierungen, Verstopfungseffekte und Überholmanöver sowie Kollisionsvermeidung.
Im Kontext der Risikoreduktion in Gebäudeumgebungen wurde eine Fallstudie durchgeführt, welche die Vulnerabilität von Besuchern der Uffizi Gallery in Florenz untersucht. Dabei wurden sowohl mittlere Evakuierungszeiten, als auch statistische Verteilung der Laufgeschwindigkeiten während einer Evakuierung und Wegspuren berechnet
Eine Untersuchung von Mehrgitterverfahren im Rahmen eines diskontinuierlichen Galerkin Lösers für die Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen
Full text linkIn dieser Arbeit werden robuste, effiziente und skalierbare Algorithmen entwickelt zur Lösung von diskontinuierlichen Galerkin-Diskretisierungen höherer Ordnung von stationären turbulenten Strömungsproblemen in der aerodynamischen Anwendung. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Entwicklung und Kombination von nichtlinearen und linearen p- und h-Mehrgitterverfahren.
Die entwickelte Löserstruktur erlaubt es, verläßliche numerische Ergebnisse für Strömungsprobleme in zwei und drei Raumdimensionen mit Mehrgitter schneller als ohne Mehrgitter zu berechnen.This thesis deals with the development of robust, efficient and scalable solver algorithms for a higher-order Discontinuous Galerkin discretization of steady-state turbulent flow problems in aerodynamic applications. The focus is laid on nonlinear and linear p- and h-multigrid methods in various combinations. A framework is developed which allows to compute reliable numerical results for flow problems in two and three dimensions faster than a state of the art single level solver
Least-Squares Methods for the Solution of Fluid-Structure Interaction Problems
Full text linkDifferent numerical methods have been proposed for the solution of partial differential equations (PDE). Most of them are based on a variational principle which recasts the PDE into an equivalent integral equation. One of the most common principles is the Galerkin method, which has some specific disadvantages for some types of PDE. In this work an alternative variational principle, the least squares finite element method, will be tested with respect to its application for transient fluid-structure interaction problems. The accurracy of different formulations which were proposed for the Navier-Stokes equations in literature will be tested. In a next step these formulations will be coupled with a standard Galerkin approach for the structure. After that a new formulation for the linear equations of elastodynamics is developed and analysed with respect to its stability and accuracy. With this formulation it is possible do develop a pure least squares formulation for the strongly coupled fluid-structure problem. Finally the different formulations are tested with respect to their accuracy and efficiency.Zur Lösung von partiellen Differentialgleichungen (PDE) sind verschiedene numerische Verfahren vorgeschlagen worden. Die meisten basieren auf einem Variationsprinzip, das die PDE in eine äquivalente Integralgleichung überführt. Ein häufig verwendetes Variationsprinzip ist das Galerkin Verfahren, das jedoch für bestimmte Gleichungstypen Nachteile aufweist. In dieser Arbeit wird die Eignung eines alternativen Variationsprinzips, der Least-Squares Finite Elemente Methode, zur Lösung von instationären Fluid-Struktur Interaktionsproblemen untersucht. Dazu werden verschiedene Formulierungen für die Navier-Stokes Gleichungen, die in der Literatur vorgeschlagen wurden auf ihre Genauigkeit hin untersucht. Diese Formulierungen für die Navier-Stokes Gleichungen werden danach zunächst mit einer klassischen Galerkin Formulierung für die Struktur gekoppelt. Um eine reine Least-Squares Formlierung des gekoppelten Systems zu erhalten wird eine neue Formulierung für die instationären Gleichungen der linearen Elastizität entwickelt und analysiert. Hiermit wird dann eine stark gekoppelte reine Least-Squares Formulierung für Fluid-Struktur Probleme entworfen. Die verschiedenen entwickelten Formulierungen werden schließlich mit verschiedenen Beispielen auf ihre Genauigkeit und Effizienz hin untersucht
Ein Modell reduzierter Ordnung für die Dynamik langer flexibler Zylinder in einer Offshore-Umgebung
Full text linkIn this thesis the development of a reduced order model for the analysis of long flexible cylinders in an offshore environment is proposed. In particular the focus is on the modelling of the vortex induced vibrations and the aim is the development of a model capable of capturing both the in-line and cross-flow oscillations.
The reduced order model is identified starting from the results of a high fidelity solver developed coupling together a finite element solver with a computational fluid dynamics finite volume solver. The high fidelity analyses are conducted on a reduced domain size representing a small section of the long cylinder, which is nevertheless, already flexible. The section is forced using a motion which matches the expected motion in full scale, and the results are used for the system-parameter identification of the reduced order model.
Several different models are analysed and their results are compared and discussed. The reduced order model is identified by using a system and parameter identification approach. The final proposed model consists in the combination of a forced van der Pol oscillator, to model the cross-flow forces, and a linear state-space model, to model the in-line forces.
The model developed in such a way is applied to study a full scale flexible model and the results are validated by using experiments conducted inside a towing tank. Finally the parameter identification, focusing on the van der Pol model is repeated in a probabilistic setting. In particular, the applicability of the ensemble Kalman filter for the parameter estimation of the van der Pol oscillator is discussed and analysed.In dieser Dissertationsschrift wird die Entwicklung eines reduzierten Modells (Reduced Order Model) zur Analyse von langen, flexiblen Zylindern im Hochseebereich vorgeschlagen. Der besondere Fokus liegt auf der Modellierung der durch Wirbel hervorgerufenen Vibrationen, und das Ziel ist die Entwicklung eines Modells, das in der Lage ist, sowohl Schwingungen in Richtung der Strömung als auch quer dazu abzubilden.
Das reduzierte Modell wird identifiziert mit den Ergebnissen eines hochgenauen Lösers, der durch die Kopplung eines Finite Elemente-Lösers mit einem Finiten Volumen-Lösers entwickelt wurde. Die hochgenaue Analyse wird auf einem beschränkten Gebiet durchgeführt, welches einen kleinen Abschnitt eines langen Zylinders repräsentiert, der dennoch flexibel ist.
Dem Zylinderabschnitt wird an den Enden eine Bewegung aufgezwungen, die der erwarteten Bewegung in der echten Größenordnung entspricht, und die Ergebnisse werden zur Systemparameteridentifizierung des reduzierten Modells genutzt.
Verschiedene reduzierte Modelle werden analysiert und ihre Resultate verglichen und diskutiert. Das reduzierte Modell wird durch eine System- und eine Parameteridentifizierung bestimmt. Das schließlich vorgeschlagene Modell besteht aus der Kombination eines erzwungenen van der Pol-Oszillators, womit die Querstromkräfte modelliert werden, und einem linearen Zustandsraummodell, um die Kräfte in Strömungsrichtung zu modellieren.
Das so entwickelte Modell wird auf ein flexibles Modell für die echte Größenordnung angewendet, und die Ergebnisse werden mit Experimenten in einem Schlepptank validiert. Schließlich wird die Parameteridentifizierung mit Hauptaugenmerk auf des van der Pol-Modell in probabilistischer Formulierung durchgeführt. Im Speziellen wird die Anwendbarkeit des Ensemble Kalman
Filters zur Parameterschätzung des van der Pol-Oszillators diskutiert und analysiert
Eine adjungierte Aero-Struktur-Formulierung für eine effiziente multidisziplinäre Flügel-Optimierung
Full text linkComputational fluid dynamics is today a reliable tool for the analysis of the flow past wings, and is increasingly used in aircraft design. Since the wing is a coupled fluid-structure system, stationary elastic deflection has to be taken into account during the design. If the design is performed by means of gradient-based optimization techniques, it is necessary to include the effect of static elasticity in the gradient computation, since this can significantly alter the values of the sensitivities. On the other hand, the prediction of highly non-linear effects such as shock arise in transonic flow, and shock-shock interaction in supersonic flow is critical to perform a detailed optimization; this demands the use of high fidelity flow models. Since these models are extremely computationally expensive, an efficient computation of the gradient in turn requires the use of an advanced mathematical tool: the adjoint method. Both these critical requirements can be met by a coupled aero-elastic adjoint formulation, where the coupling is carried out firstly in the physical variables of the two systems, and then in the adjoint variables, which are subsequently used to calculate the sensitivity. The multidisciplinary extension of the adjoint method also allows the evaluation of gradients of cost functions or constraints containing terms coming from the structure side, as in the case of the Breguet formula for aircraft range. In the present work, a completely continuous formulation of the aeroelastic coupled adjoint method is presented and applied to test cases relevant to aircraft design, through an implementation within the software FLOWer from DLR and MSC-Nastran. The test cases are based on the AMP wing in the transonic regime, while the shape parametrization is based on the free-form deformation method. A comparative study of optimization histories is presented, showing the necessity of a high number of design variables to maximize the effectiveness of the optimization, as well as the necessity for accurate sensitivities that contain the effect of aeroelasticity. The sensitivities obtained from the coupled adjoint have allowed to perform in relatively short time optimizations with high number of design variables, aimed to reduce drag at constant lift and angle of attack and to increase range by means of the Breguet formula, assuming a stress penalty for the structural weight and again constant lift and angle of attack. A comparison of these two cases shows that the aerodynamically optimal minimal drag design differs from the multidisciplinary optimal design.CFD (Computational Fluid Dynamics) ist heutzutage ein zuverlässiges Werkzeug für die Analyse von Strömungen und kommt deshalb in der Luftfahrtindustrie mehr und mehr zum Einsatz. Ein Flugzeugflügel ist jedoch ein Aero-Struktur-System, weshalb die durch die aerodynamischen Kräfte verursachte statische Deformation des Flügels während seines Entwurfes berücksichtigt werden muss. Wenn der Entwurf mittels deterministischen gradientenbasierten Optimierungsverfahren erfolgt, müssen demzufolge die statisch elastischen Effekte bei der Sensitivitätenberechnung mit einfließen und modelliert werden. Um sowohl auf der Struktur als auch auf der Aerodynamikseite hochgenaue und damit rechen- und zeitaufwändige Berechnungsverfahren verwenden zu können, wir ein gekoppeltes Aero-Struktur-Adjungiertenverfahren hergeleitet, implementiert sowie validiert und für den so genannten AMP-Flügel erprobt. Auf der Strömungsseite wird der DLR-Löser FLOWer und auf der Strukturseite der kommerzielle FEM-Löser MSC-NASTRAN verwendet. Schließlich wird eine multidisziplinäre Reichweitenoptimierung, mit der Breguet-Formel für die Reichweite als Zielgröße, für den AMP-Flügel durchgeführt – und zwar unter Berücksichtigung der statischen Deformation und der aerodynamischen Nebenbedingung, dass der Auftrieb konstant bleiben muss. Hierbei ermöglicht das effiziente gekoppelte Aero-Struktur-Adjungiertenverfahren die Parametrisierung des Flügels mit einer großen Anzahl an Entwurfsvariablen
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