حل عددی ارتعاشات القایی ناشی از رهایش گردابه حول استوانه با تکیه گاه الاستیک در مجاورت سطح آزاد سیّال

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، آزمایشگاه انرژی، آب و محیط زیست، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق، شبیه سازی عددی ارتعاشات ناشی از رهایش گردابه از سطح استوانه‌ی دایره‌ای دو درجه آزادی، تحت تکیه گاه الاستیک در مجاورت سطح آزاد سیّال انجام شده است. جریان اطراف استوانه، آرام و در محدود هی اعداد رینولدز 60 الی 130 در نظر گرفته شده است. تغییر شکل سطح آزاد ناچیز بوده و برای عدد فرود 0/2 همچون یک دیواره ی صلب بدون لغزش عمل می‌کند. اثر سطح آزاد با در نظرگیری دو نسبت فاصله از آن بررسی می‌شود. فرکانس طبیعی سیستم جرم- فنر در هر نسبت فاصله، به گونه‌ای انتخاب شده که با عدد استروهال جریان در رینولدز 100 حول استوانه‌ی ساکن برابر باشد. گسسته سازی معادلات جریان بر مبنای روش حجم محدود در کد تجاری فلوئنت انجام شده است. برای کوپلینگ حرکت استوانه با میدان جریان از روش شبکه‌ی متحرّک با یک کد اضافه شده به نرم افزار استفاده شده و برای شبیه‌سازی سطح آزاد، روش حجم سیّال به کار گرفته شده است. شبیه سازی‌های ارتعاشات ناشی از جریان و سطح آزاد سیّال بطور جداگانه تطابق خوبی با نتایج موجود نشان می‌دهند. تأثیر سطح آزاد بر ناحیه‌ی قفل شدگی با استفاده از مقایسه‌ی نمودارهای جابه جایی عرضی و ضرایب آیرودینامیکی در دو نسبت فاصله بررسی می‌شود که نتایج با نزدیک شدن استوانه به سطح آزاد، حاکی از کاهش ناحیه ی قفل‌شدگی، کاهش دامنه‌ی نوسانات و تغییر ضرایب آیرودینامیکی بسته به شاخه‌ی قرارگیری عدد رینولدز جریان هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Vortex-Induced Vibrations of an Elastically-Mounted Circular Cylinder beneath a Free Surface

نویسندگان [English]

  • S.M. Hosseinalipour
  • N. Hajighafoori Boukani
Department of Mechanical Engineering, Iran University of Science & Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this paper, a two-dimensional numerical simulation is applied to study the vortex-induced vibrations of an elastically mounted rigid circular cylinder beneath a free surface of fluid. The effect of free surface in laminar flow is investigated with considering two gap-ratios. The natural structural frequency of oscillator is assumed to match the vortex shedding frequency for a stationary cylinder at Re=100. Discretization of flow equations based on the Finite Volume method was implemented in computational fluid dynamics commercial software Ansys Fluent 14.0. User Defined Function hooked in the Software is given to couple the motion of cylinder to flow motion. For simulation of free surface, volume of fluid method is used. The effect of free surface is investigated with using a comparison of transverse displacement diagrams and aerodynamics coefficients diagrams for the two gap-ratios. With approaching cylinder to free surface, results show an abatement in the lock-in region and the amplitude of the oscillations and aerodynamics coefficients are changed depending on the Reynolds location branch.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Vortex Induced Vibration
  • Computational fluid dynamics modeling
  • free surface
  • Lock-in region
[1] T. Sarpkaya, A critical review of the intrinsic nature of vortex-induced vibrations, Journal of fluids and structures, 19(4) (2004) 389-447.
[2] J. Carberry, R. Govardhan, J. Sheridan, D. Rockwell, C. Williamson, Wake states and response branches of forced and freely oscillating cylinders, European Journal of Mechanics-B/Fluids, 23(1) (2004) 89-97.
[3] M.M. Bernitsas, K. Raghavan, Fluid motion energy converter, in, Google Patents, 2009.
[4] N. Jauvtis, C. Williamson, Vortex-induced vibration of a cylinder with two degrees of freedom, Journal of Fluids and Structures, 17(7) (2003) 1035-1042.
[5] S. Singh, S. Mittal, Vortex-induced oscillations at low Reynolds numbers: hysteresis and vortex-shedding modes, Journal of Fluids and Structures, 20(8) (2005) 1085-1104.
[6] R. Willden, J. Graham, Three distinct response regimes for the transverse vortex-induced vibrations of circular cylinders at low Reynolds numbers, Journal of Fluids and Structures, 22(6-7) (2006) 885-895.
[7] S. Sen, S. Mittal, G. Biswas, Flow past a square cylinder at low Reynolds numbers, International Journal for Numerical Methods in Fluids, 67(9) (2011) 1160-1174.
[8] G. Parkinson, Phenomena and modelling of flow-induced vibrations of bluff bodies, Progress in Aerospace Sciences, 26(2) (1989) 169-224.
[9] I. Korkischko, J.R. Meneghini, Experimental investigation of flow-induced vibration on isolated and tandem circular cylinders fitted with strakes, Journal of Fluids and Structures, 26(4) (2010) 611-625.
[10] S.M. Hasheminejad, M. Jarrahi, Numerical simulation of two dimensional vortex-induced vibrations of an elliptic cylinder at low Reynolds numbers, Computers & Fluids, 107 (2015) 25-42.
[11] H. Miyata, N. Shikazono, M. Kanai, Forces on a circular cylinder advancing steadily beneath the free-surface, Ocean engineering, 17(1-2) (1990) 81-104.
[12] J. Sheridan, J.-C. Lin, D. Rockwell, Flow past a cylinder close to a free surface, Journal of Fluid Mechanics, 330 (1997) 1-30.
[13] T. Warburton, G.E. Karniadakis, Spectral simulations of flow past a cylinder close to a free surface, ASME Paper FEDSM97-3389, (1997).
[14] P. Reichl, K. Hourigan, M. Thompson, Flow past a cylinder close to a free surface, Journal of Fluid Mechanics, 533 (2005) 269-296.
[15] S.M. Hosseinalipoor, N. Haji ghafoori boukani, Numerical Investigation of Flow past a Circular Cylinder beneath a Free Surface with Volume of Fluid Method, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 49(1) (2017) 11-18.
[16] A. Roshko, A. Steinolfson, V. Chattoorgoon, Flow forces on a cylinder near a wall or near another cylinder, CALIFORNIA INST OF TECH PASADENA, 1975.
[17] P. Bearman, M. Zdravkovich, Flow around a circular cylinder near a plane boundary, Journal of Fluid Mechanics, 89(1) (1978) 33-47.
[18] J. Carberry, J. Sheridan, D. Rockwell, Cylinder oscillations beneath a free-surface, European Journal of Mechanics-B/Fluids, 23(1) (2004) 81-88.
[19] J.-C. Lin, D. Rockwell, Horizontal oscillations of a cylinder beneath a free surface: vortex formation and loading, Journal of Fluid Mechanics, 389 (1999) 1-26.
[20] C. Bozkaya, S. Kocabiyik, L. Mironova, O. Gubanov, Streamwise oscillations of a cylinder beneath a free surface: free surface effects on vortex formation modes, Journal of computational and applied mathematics, 235(16) (2011) 4780-4795.
[21] C. Bozkaya, S. Kocabiyik, Free surface wave interaction with an oscillating cylinder, Applied Mathematics Letters, 27 (2014) 79-84.
[22] T. Prasanth, S. Mittal, Vortex-induced vibrations of a circular cylinder at low Reynolds numbers, Journal of Fluid Mechanics, 594 (2008) 463-491.
[23] P. Anagnostopoulos, P. Bearman, Response characteristics of a vortex-excited cylinder at low Reynolds numbers, Journal of Fluids and Structures, 6(1) (1992) 39-50.
[24] P. Reichl, K. Hourigan, M. Thompson, The unsteady wake of a circular cylinder near a free surface, Flow, Turbulence and Combustion, 71(1-4) (2003) 347.
[25] C.W. Hirt, B.D. Nichols, Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries, Journal of computational physics, 39(1) (1981) 201-225.
[26] P. Reichl, Flow past a cylinder close to a free surface, Monash University, 2001.
[27] A. Roshko, On the development of turbulent wakes from vortex streets, (1954).
[28] C. Williamson, R. Govardhan, A brief review of recent results in vortex-induced vibrations, Journal of Wind engineering and industrial Aerodynamics, 96(6-7) (2008) 713-735.