A Finite Element Scheme for Fluid--Solid--Acoustics Interactions and its Application to Human Phonation

Ein Finite-Elemente-Verfahren für Fluid-Struktur-Akustik-Interaktionen und dessen Anwendung auf die menschliche Phonation

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-12032
  • The focus of this thesis is on the development of a numerical scheme to capture the fluid-solid-acoustics coupling. As example application the human phonation process is chosen. Human phonation is a paradigm for multifield interactions and at the same time still not fully explored. Many investigations considering the fluid-solid interaction on the one hand and the fluid-acoustics interaction on the other hand have been undertaken. So far, no phonation model is based on the completely coupled system taking into account the fluid-solid-acoustics interaction. The several methods to establish the fluid-solid-acoustics coupling are selected because of their ability to represent the physicalThe focus of this thesis is on the development of a numerical scheme to capture the fluid-solid-acoustics coupling. As example application the human phonation process is chosen. Human phonation is a paradigm for multifield interactions and at the same time still not fully explored. Many investigations considering the fluid-solid interaction on the one hand and the fluid-acoustics interaction on the other hand have been undertaken. So far, no phonation model is based on the completely coupled system taking into account the fluid-solid-acoustics interaction. The several methods to establish the fluid-solid-acoustics coupling are selected because of their ability to represent the physical fields and their interactions most accurately. The finite element method is adopted to discretize the three physical fields discussed: fluid and solid mechanics and acoustics. The mechanical and the acoustic fields are approximated with a standard Galerkin scheme and a residual-based stabilization method is chosen for the fluid field. The fluid-solid and the solid-acoustics interactions are based on continuum mechanics. The fluid-acoustics coupling is based on Lighthill's acoustic analogy. The developed steps of the scheme are verified through several benchmark problems. Novel steps of the computational scheme are the flow solver, the fluid-solid interaction, the fluid-acoustics and the fluid-solid-acoustics coupling. Finally, a fluid-solid-acoustics benchmark is successfully simulated and presented. For the first time the two sound generation mechanisms of fluid-solid interaction - the flow-induced and the vibrational-induced sound - are captured together. In the considered phonation model it is discovered that the hereby developing Coanda effect causes a broadband sound signal. The Coanda effect is the affinity of a fluid jet to attach to an adjacent surface, the pharynx wall in case of phonation. A broadband acoustic signal exists as well during hoarseness and in the case of a substitute voice after a laryngectomy, leading to the hypothesis that in these cases the Coanda effect is more severe in comparison to the healthy state. The developed scheme enabled to detect and justify this interconnection between the Coanda effect and dysphonias. In case of human phonation this scheme opens up new possibilities to understand the phonation process more profoundly and to improve existing therapies. Consequently, this study supplies an accurate fluid-solid-acoustics coupled scheme, which represents each physical field as well as their interactions comprehensively and without any noteworthy simplifications. The simulation of human phonation is a first application success.show moreshow less
  • Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines numerischen Verfahrens, das Fluid-Struktur-Akustik-Wechselwirkungen vollständig abbildet. Als Anwendungsbeispiel wird die menschliche Stimmbildung gewählt, weil dies ein Musterbeispiel für Mehrfeld-Wechselwirkungen ist und gleichzeitig noch Forschungsbedarf besteht. Viele Untersuchungen betrachteten entweder die Fluid-Struktur-Wechselwirkung oder die Fluid-Akustik-Kopplung. Bislang wurde die Fluid-Struktur-Akustik-Wechselwirkung noch in keinem Phonationsmodell berücksichtigt. Die einzelnen Methoden des Fluid-Struktur-Akustik-Verfahrens werden dahingehend ausgewählt, dass sowohl die physikalischen Felder als auch deren Wechselwirkungen so genauDas Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines numerischen Verfahrens, das Fluid-Struktur-Akustik-Wechselwirkungen vollständig abbildet. Als Anwendungsbeispiel wird die menschliche Stimmbildung gewählt, weil dies ein Musterbeispiel für Mehrfeld-Wechselwirkungen ist und gleichzeitig noch Forschungsbedarf besteht. Viele Untersuchungen betrachteten entweder die Fluid-Struktur-Wechselwirkung oder die Fluid-Akustik-Kopplung. Bislang wurde die Fluid-Struktur-Akustik-Wechselwirkung noch in keinem Phonationsmodell berücksichtigt. Die einzelnen Methoden des Fluid-Struktur-Akustik-Verfahrens werden dahingehend ausgewählt, dass sowohl die physikalischen Felder als auch deren Wechselwirkungen so genau wie möglich erfasst werden. Alle drei betrachteten physikalischen Felder - die Strömungsmechanik, die Strukturmechanik und die Akustik - werden mit der Finite-Elemente-Methode diskretisiert. Das mechanische und das akustische Feld werden mit der Standard-Galerkin-Methode approximiert und das strömungsmechanische Feld mit einer residuenbasierten stabilisierten Methode. Mittels kontinuumsmechanischer Beziehungen wird die Fluid-Struktur- und die Struktur-Akustik-Wechselwirkung realisiert. Die Fluid-Akustik-Kopplung basiert auf der akustischen Analogie von Lighthill. Die entwickelten Abschnitte des Verfahrens werden mit zahlreichen Referenzbeispielen validiert. Neue Schritte des numerischen Verfahrens sind der Strömungslöser, die Fluid-Struktur-Interaktion, die Fluid-Akustik- und die Fluid-Struktur-Akustik-Kopplung. Schließlich wird ein erstes Fluid-Struktur-Akustik-Referenzbeispiel im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich simuliert und vorgestellt. Erstmals können die beiden Schallentstehungsmechanismen von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen - der strömungsinduzierte und der schwingungsinduzierte Schall - gemeinsam abgebildet werden. Im entwickelten Phonationsmodell wird festgestellt, dass der hierbei auftretende Coanda-Effekt zu einem breitbandigen Schallsignal führt. Der Coanda-Effekt beschreibt das Bestreben eines Fluid-Strahls sich an eine benachbarte Fläche, im Falle der Phonation die Rachenwand, anzunähern. Ein breitbandiges akustisches Signal existiert ebenfalls bei Ersatzstimmen nach einer Kehlkopfentnahme und bei Heiserkeit. Dies führt zu der Hypothese, dass in diesen Fällen der Coanda-Effekt stärker ausgeprägt ist als im gesunden Zustand. Erst das entwickelte Verfahren ermöglichte die Erkennung und Begründung dieser Querbeziehung zwischen dem Coanda-Effekt und Dysphonien. Für den Forschungsbereich der menschlichen Stimmbildung eröffnet dieses Verfahren somit neue Möglichkeiten für ein fundierteres Verständnis der Stimmbildung sowie zur Verbesserung bestehender Behandlungsmethoden. Im Ergebnis liefert diese Arbeit ein Fluid-Struktur-Akustik-Verfahren, das die einzelnen physikalischen Felder sowie deren Wechselwirkungen umfassend und ohne nennenswerte Vereinfachungen abbildet. Die Simulation der menschlichen Stimmbildung ist ein erster Anwendungserfolg.show moreshow less

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Metadaten
Author:Gerhard Link
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-12032
ISBN:978-3-87525-285-9
Advisor:Manfred Kaltenbacher
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2008
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2008/10/17
Release Date:2008/12/19
Tag:Fluid-Struktur-Akustik-Wechselwirkung; Lighthill Analogie
Aeroacoustics; Finite Element Method; Fluid-Structure Interaction; Fluid-Structure-Acoustics Interaction; Lighthill Analogy; Phonation
SWD-Keyword:Fluid-Struktur-Wechselwirkung; Strömungsakustik; Stimmgebung
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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