حل عددي ارتعاشات القايي ناشي از رهايش گردابه حول استوانه با تكيه گاه الاستيك در مجاورت سطح آزاد سيّال

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

در اين تحقيق، شبيه سازي عددي ارتعاشات ناشي از رهايش گردابه از سطح استوانه‌ي دايره‌اي دو درجه آزادي، تحت تكيه گاه الاستيك در مجاورت سطح آزاد سيّال انجام شده است. جريان اطراف استوانه، آرام و در محدود هي اعداد رينولدز 60 الي 130 در نظر گرفته شده است. تغيير شكل سطح آزاد ناچيز بوده و براي عدد فرود 0/2 همچون يك ديواره ي صلب بدون لغزش عمل مي‌كند. اثر سطح آزاد با در نظرگيري دو نسبت فاصله از آن بررسي مي‌شود. فركانس طبيعي سيستم جرم- فنر در هر نسبت فاصله، به گونه‌اي انتخاب شده كه با عدد استروهال جريان در رينولدز 100 حول استوانه‌ي ساكن برابر باشد. گسسته سازي معادلات جريان بر مبناي روش حجم محدود در كد تجاري فلوئنت انجام شده است. براي كوپلينگ حركت استوانه با ميدان جريان از روش شبكه‌ي متحرّك با يك كد اضافه شده به نرم افزار استفاده شده و براي شبيه‌سازي سطح آزاد، روش حجم سيّال به كار گرفته شده است. شبيه سازي‌هاي ارتعاشات ناشي از جريان و سطح آزاد سيّال بطور جداگانه تطابق خوبي با نتايج موجود نشان مي‌دهند. تأثير سطح آزاد بر ناحيه‌ي قفل شدگي با استفاده از مقايسه‌ي نمودارهاي جابه جايي عرضي و ضرايب آيروديناميكي در دو نسبت فاصله بررسي مي‌شود كه نتايج با نزديك شدن استوانه به سطح آزاد، حاكي از كاهش ناحيه ي قفل‌شدگي، كاهش دامنه‌ي نوسانات و تغيير ضرايب آيروديناميكي بسته به شاخه‌ي قرارگيري عدد رينولدز جريان هستند.

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.