Wenn Strömungen Strukturen beeinflussen

Luftballon

Aufgeblasen, gedehnt, geplatzt!

Jedes Kind liebt sie…
Luftballons: Elastische, mit Gas gefüllte Hohlkörper die ein Vielfaches an Größe gewinnen können. Doch die meisten Leute hassen das unangenehme Geräusch der Reibung und des Platzens. Sie auch?

Was hat ein Luftballon mit meinem Produkt zu tun?
Diese Frage klären wir heute in diesem Beitrag.

Aus einem Experiment wird ein Spaß für Kinder – Die Geschichte hinter den Luftballons

Die Geschichte hinter Luftballons ist alt: 1824 entdeckte Michael Faraday mithilfe von Experimenten an Wasserstoff den ersten Gummiluftballon. Zwei Rohgummiflächen wurden an den Rändern zusammengedrückt und innen mit Mehl bestäubt. Der Ballon dehnte sich sehr stark aus, wurde transparent und schwebte zur Decke.

1825 wurde der Ballon bereits von einem findigen und bekannten Geschäftsmann namens Thomas Hancock vermarktet und als Set verkauft. Damals musste man noch die Ballons mit einer Spritze und Rohgummi-Masse selbst herstellen.
Ein Luftballon aus dieser Zeit war aufgrund des unvulkanisierten Materials und der damit verbunden Klebrigkeit nicht sonderlich haltbar und stabil. Heutzutage bietet die Kunststofftechnik mit diversen Verfahren mehr Möglichkeiten.

Eine unermüdliche Nachfrage – Luftballons in allen erdenklichen Farben und Formen

Auf Feiern, Festen oder zum Spielen, die Anforderung an Material und Haltbarkeit stiegen proportional zur Nachfrage. Neue stabilere Ballons können mittlerweile sogar unterschiedlichste Formen annehmen. Vorreiter sogenannter Formballons war Harry Rose Gill aus Ohio, der den ersten Ballon in Zeppelinform herstellte. Verschiedene Luftkammern zeichnen heute größere Formballons aus. Zugbelastungen, insbesondere an den Übergängen der Kammern, erfordert einen hohen technischen Anspruch in der Herstellung.

Egal ob Luftballon oder andere gasgefüllte Objekte: Lassen sich derartige Produkte in Stabilität und Verhalten berechnen?

Fluid-Structure-Interaction – Berechnung an variablen Körpern

Gasgefüllte Körper lassen sich auf unterschiedlichste Belange berechnen. Die Numerische Strömungsmechanik (CFD) ermöglicht beispielsweise Druckberechnungen, Gasverteilung, sowie Auffüll- und Strömungsgeschwindigkeiten des Objekts. In unserem ersten Video sehen Sie eine typische Visualisierung der Strömungsgeschwindigkeiten in einem Luftballon beim Aufblasevorgang.

Durch die Druckänderung innerhalb des Luftballons verändert sich die Größe und somit auch der eigentliche Fluidbereich… Der Luftballon dehnt sich aus. Diese gegenseitige Beeinflussung und nennt man „Fluid Structure Interaction“. Sie tritt an elastischen, leicht verformbaren, schwingfähigen, drehbar oder verschiebbar gelagerten, umströmten oder durchströmten Strukturen auf.

Die Ablösung von Wirbeln kann umströmte Strukturen in merkliche Schwingungen versetzen. Strömungsinduzierte Schwingungen kommen z. B. an Flugzeugflügeln, an Propellerblättern, aber auch bei der Umströmung von Bauwerken vor. Sind die Schwingungen groß genug, beeinflussen sie im Gegenzug die Strömung*. Schäden die durch Schwingung verursacht werden, können mit der FEM-Methode berechnet werden.


Während komplexe Schäden mit FEM analysiert werden müssen, können lineare Oberflächenspannungen und Dehnungen auch mit reinen CFD-Boardmitteln dargestellt werden.

Im zweiten Video sehen Sie die Verschiebung des Materials anhand eines Luftballons. Diese Simulation wurde mit Tools zur numerischen Strömungsimulation gelöst.

Ein weiteres, spannendes Beispiel ist die Berechnung von Berstkammern diese wir in einem anderen Artikel angesprochen haben: „Auslegung von Prüfkammern“



Anwendung der FSI Berechnung an einem Luftballon

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Die Vorteile für Sie:
Schwachstellen aufzeigen und Optimierungsmöglichkeiten untersuchen

Grundsätzlich kann diese Art der Berechnung auf viele Objekte aus unterschiedlichsten Materialien angewendet werden. Ob das Projekt schlussendlich mithilfe reiner CFD oder in Kombination mit FEM berechnet wird, können wir im Einzelfall, bei einem unverbindlichen Beratungstermin, besprechen. Wir haben für Sie einige Beispiele aus dem Alltag aufgeführt:

  • Airbags
  • Schlauchboote
  • diverse Flugobjekte
  • Hüpfburgen
  • Sprungrettungsgeräte
  • Rettungsinseln
  • Schwimmhilfen
  • Notausstiegsrutschen in Flugzeugen



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Gerne können wir auch einen unverbindlichen Beratungstermin oder eine telefonische Beratung vereinbaren.
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Geschichte von Luftballons: Wikipedia-Artikel „Luftballon“
*Fluid-Struktur-Kopplung: Wikipedia-Artikel „Fluid-Struktur-Kopplung“