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Numerical simulations for ball bearings considering fluid-structure interaction problems and non-Newtonian fluids with a free boundary

Knauf, Stefan

German Title: Numerische Simulationen für Kugellager unter Berücksichtigung von Fluid-Struktur Interaktion und nicht-Newtonischen Fluiden mit freier Oberfläche

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Abstract

In this thesis a novel approach for the simulation of elastohydrodynamic problems is established. It is novel in modeling the fluid as non-Newtonian with a free boundary and considering fluid-structure interaction at the same time. We present a robust numerical algorithm for the simulation of problems of such type. Furthermore, we analyze the difficulties and propose some improvements for treating the free boundary as well as the non-Newtonian flow numerically. We adress modeling aspects and model uncertainties with respect to material models, parameters and experimental investigations. For validation, we compare the numerical approximations with a widely accepted analytic approximation from engineering literature and achieve a reasonable accuracy. We conclude by bringing the thesis in relation with interesting further points of investigation on the basis of the established methods which rely on the novel modeling in this thesis.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zur Simulation von elastohydrodynamischen Problemen vorgestellt. Dieser Ansatz ist neuartig, da das Fluid als nicht-Newtonisch und mit freiem Rand modelliert wird und gleichzeitig Fluid- Struktur-Interaktion betrachtet wird. Wir stellen einen robusten numerischen Algorithmus f¨ur die Simulation solcher Probleme vor. Weiterhin analysieren wir die Schwierigkeiten und schlagen einige Verbesserungsm¨oglichkeiten bei der Simulation von nicht-Newtonischen Fluiden sowie freien Randwertproblemen vor. Modellierungsaspekte und Modellunsicherheiten bez¨uglich der Materialgleichungen, Parameter und der experimentellen Untersuchungen werden thematisiert. F¨ur Zwecke der Validierung werden die numerischen L¨osungen mit einer in der ingenieurswissenschaftlichen Literatur weit verbreiteten und akzeptierten N¨aherung verglichen und man stellt eine gute ¨Ubereinstimmung fest. Wir diskutieren die erreichten Ergebnisse und schlagen auf dieser Basis weitere interessante Themen f¨ur k¨unftige Arbeiten vor, die auf der neuartigen Modellierung dieser Arbeit beruhen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Rannacher, Prof. Dr. Rolf
Date of thesis defense: 19. July 2011
Date Deposited: 26. Jul 2011 10:15
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Mathematics and Computer Science > Department of Applied Mathematics
Subjects: 510 Mathematics
Uncontrolled Keywords: elastohydrodynamics, non-Newtonian fluids, finite-element method, free-boundary value problems
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