ON THE WAKE STRUCTURES OF FLOW AROUND DEFORMING AND VIBRATING BODIES

• This thesis concerns the study of Fluid-Structure interaction phenomena among deforming and (non-deforming) vibrating objects under unsteady fluid fl ow exposures. This multi-physical phenomenon is widely encountered in real-life situations and therefore it is of significant importance to understand the underlying physics. The trend is that both industrial and research facilities aim for developing methods that treat this complex and multi-disciplinary problem with high accuracy and also sufficient efficiency. Time-domain simulations, that is the dominating prediction tool within the FSI-community although frequency-domain representation is still used to some extent, have been integrated with two different structural models that model the solid objects. For the vibrating rigid object an Immersed Boundary (IB) method based on the use of Cartesian mesh is used to represent the solid object by using momentum source that enforce the required boundary condition. The deforming object, on the other hand, is modelled by a three-dimensional Finite Element (FE) formulation based on collocated mesh formulation. An Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation provides the deformation of the object which is solved in conjunction with the fl uid and solid solvers. Further, a partitioned FSI-approach based on strong coupling strategy assures for reliable flow and solid domain quantities. The time-dependent and unsteady fl uid flow is predicted based on Implicit Large Eddy Simulations (ILES) which becomes a prerequisite in order to resolve flow processes involving large-scale structures with sufficient accuracy. In particular, separation processes, vortex shedding and possibly vortex-pairing are flow phenomena of such kind that typically are encountered when the flow around an object enforces the body to be deformed or displaced, which in turn, alters the character of the flow structures. In the context of deformable- and rigid body motions, this study is especially focused in the near-wake (instantaneously) behaviour of fl ow structures in conjunction with dependency of wake topologies when the unsteady wake fl ow generates unsteady loading on the object. The variations in response dynamics of the objects are studied in parallel and a direct/indirect coupling is made in the object-wake dynamics in order to better understand the complex two-way FSI phenomenon. In the analyses, particular post-processing tools for the fl uid- flow, such as Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Dynamic Mode Decomposition (DMD) have served as a toolbox. It is shown that very useful conclusions can be drawn and hence, attribute these findings to relevant mechanisms underlying the FSI problem.

• Popular Abstract in Swedish Datorsimuleringar, konsten att modellera verkliga eller tänkta händelser med hjälp av en dator och ett lämpligt simuleringsprogram, har blivit ett dominerande verktyg inom tekniska och naturvetenskapliga områden, likväl inom akademiska och industriella tillämpningar. Trots att experimentella studier har ett vedertaget erkännande inom diverse forskningsstudier har den snabba utvecklingen av datorprestanda, mjukvara och algoritmer gjort att datorsimulering blivit ett vitalt och väletablerat komplement till kostsamma experiment. Vid bruk av datorsimularingar utgår man från en matematisk modell för att beskriva ett fysikaliskt förlopp för att i sin tur kunna studera det fenomen som man är intresserad av. Därefter används varianter av beräkningsmetoder för att kunna genomföra simuleringarna. Fenomenet Fluid-Struktur Interaktion, vilket är forskningsämnet, existerar i en rad tillämpningsområden i praktiken. Luftpartiklars strömning kring en flexibel fl ygplansvinge eller hängbro samt vattenpartiklars passage kring havsplattformar och/eller propellrar till havsfartyg är några utav många exempel där en direkt/indirekt interaktion mellan föremålen i fråga och mediet i sig kan klassiceras under kategorin Fluid-Struktur Interaktion; FSI. Denna interaktion (mellan fluid och struktur) kan under stränga förhållanden leda till oönskade händelser såsom falering av en fl ygplansvinge, kollaps av en bro samt/eller häftiga vibrationer av t.ex. borrnings-rör som är fast förankrade till oljeplattformar. Syftet med denna forskningsstudie är att kunna reda ut och prediktera de fysikaliska mekanismer som ligger till grund och kan ge upphov till ovan nämnda oangelägenheter. Detta har undersökts genom att studera hur karaktären på rörelsen och/eller deformationen hos strukturen förhåller sig till dynamiken i dess vak, vilken representeras av kvantiteter som flödeshastighet och tryck. Målet är bland annat att på en erforderlig nivå kunna beskriva och förklara kopplingen mellan varierande fasförhållanden som typiskt karaktäriserar dynamiken hos strukturen och dess korresponderande (tidsberoende) vak. Dessa mål ställer dock höga krav på precission och effektivitet hos tillgängliga beräkningsmetoder samt de metoder som är under utveckling. I synnerhet behöver metoderna kunna hantera väldigt stora system på grund av höga krav på upplösning i simuleringarna och dessutom behöver de ha någon form av felkontroll för att säkerställa noggrannheten i simuleringarna. I denna avhandling har två objekt av olika geometri och uppsättning använts för att studera interaktionen mellan fluid och struktur, nämligen en elastiskt upphängd stel cirkulär cylinder och en flexibel rektangulär balk med ett kvadratiskt tvärsnitt som är fast inspänd i den ena änden och fri i den andra. Den stela cirkulära cylindern har brukats i ett renodlat studiesyfte och resultaten har analyserats med utgångspunkt från tidigare utförda studier. Arbetet för den fast inspända balken, å andra sidan, omfattade dels utveckling av en beräkningseffektiv metod, genom att fördela beräkningsarbetet jämbördigt i delproblem mellan fl ertal datorer, och dels en studie kring metodens styrka och dess begränsningar.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Strömningsmekanik och akustik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Fluid Mechanics and Acoustics (hsv//eng)

Nyckelord

Large Eddy Simulation

Fluid-Structure Interaction

Vortex-induced Vibrations

Publikations- och innehållstyp

dok (ämneskategori)

vet (ämneskategori)