شبیه سازی اندرکنش سازه- سیال و ارتعاش ناشی از جدایش گردابه در استوانه های دایروی و بریده شده

نوع مقاله : مقاله کامل (پژوهشی)

نویسندگان

1 دپارتمان مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه خوارزمی، تهران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک

چکیده

- در مطالعه حاضر ارتعاشات ناشی از گردابه در اندرکنش سازه- سیال استوانه‌های دایروی و بریده شده مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور، جریان آرام حول یک استوانه (دایروی و بریده شده) دو درجه آزادی که می‌تواند آزادانه در جهات جریان اصلی و عمود بر آن حرکت کند، در نظر گرفته شده است. به منظورحل کردن معادلات پیوستگی و مومنتوم برای جریان تراکم ناپذیر، غیر دائم و دوبعـدی، روش عـددی حجـم محدود براساس الگوریتم سیمپل به کار برده شده است. علاوه بر آن، جهت شبیه سازی اندرکنش- سازه سیال، حل‌گر معادلات حرکت جسم صلب در جهت جریان و عمود بر آن با حل‌گر دینامیک سیالات محاسباتی کوپل شده است. به منظور اعتبار سنجی روش عددی به کار گرفته شده در بررسی اندرکنش سازه- سیال، نتایج بدست آمده برای نوسانات عرضی استوانه دایروی و بریده شده در اعداد رینولدز مختلف با نتایج سایر مطالعات مورد مقایسه قرار گرفت و انطباق بسیار خوبی مشاهد گردید. همچنین اثر زاویه بریده شده پشت استوانه بر کاهش ارتعاشات ناشی از جدایش گردابه مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد با افزایش عدد رینولدز جریان از 80 تا 85 ، ارتعاش استوانه‌های بریده شده وارد ناحیه قفل شدگی شده و پرش شدیدی در جابجایی عرضی آنها دیده می‌شود. تفاوت مهم در دامنه جابجایی استوانه‌های بریده شده با استوانه دایروی در نیمه سمت راست ناحیه قفل شدگی است. با افزایش زاویه بریدگی، استوانه‌ها زودتر این ناحیه را ترک می‌کنند و به عبارتی عرض ناحیه قفل شدگی کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها


Artana, G., Sosa, R., Moreau, E. and Touchard G. (2003). Control of the near-wake flow around a circular cylinder with electrohydrodynamic actuators. Experiments in Fluids, 35(6), 580-588.
Assi, G.R. and Bearman, P.W. (2018). Vortex-induced vibration of a wavy elliptic cylinder. Journal of Fluids and Structures 80, 1-21.
Baek, S.-J. and Sung, H.J. (1998). Numerical simulation of the flow behind a rotary oscillating circular cylinder. Physics of Fluids 10(4), 869-876.
Blevins, R.D. (1990). Flow-Induced Vibration, Nostrand Reinhold. New York, 104-110.
Chen, Z.-S. and Kim, W.-J. (2010). Numerical investigation of vortex shedding and vortex-induced vibration for flexible riser models. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2(2), 112-118.
Chen, Z.-S. and Kim, W.-J. (2012). Effect of bidirectional internal flow on fluid–structure interaction dynamics of conveying marine riser model subject to shear current. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering 4(1), 58-71.
Gao, Y., Zong, Z., Zou, L., Takagi, S. and Jiang, Z. (2018). Numerical simulation of vortex-induced vibration of a circular cylinder with different surface roughnesses. Marine Structures, 57, 165-179.
Hasheminejad, S. M., Rabiee, A.H., Jarrahi, M. and Markazi, A. (2014). Active vortex-induced vibration control of a circular cylinder at low Reynolds numbers using an adaptive fuzzy sliding mode controller. Journal of Fluids and Structures, 50, 49-65.
Kumar, D., Singh, A.K. and Sen, S. (2018). Identification of response branches for oscillators with curved and straight contours executing VIV. Ocean Engineering, 164, 616-627.
Li, P., Liu, L., Dong, Z., Wang, F. and Guo, H. (2020). Investigation on the spoiler vibration suppression mechanism of discrete helical strakes of deep-sea riser undergoing vortex-induced vibration. International Journal of Mechanical Sciences, 172, 105410.
Li, Z., Navon, I., Hussaini, M. and Le Dimet, F.-X. (2003). Optimal control of cylinder wakes via suction and blowing. Computers & Fluids, 32(2), 149-171.
Liu, Q., Hao, W., Li, C., Miao, W. and Ding, Q. (2019). Numerical simulation on the forced oscillation of rigid riser with helical strakes in different section shapes. Ocean Engineering, 190, 106439.
Lou, M., Wu, W.-g. and Chen, P. (2017). Experimental study on vortex induced vibration of risers with fairing considering wake interference. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 9(2), 127-134.
Park, H., Kumar, R. A. and Bernitsas, M. M. (2016). Suppression of vortex-induced vibrations of rigid circular cylinder on springs by localized surface roughness at 3× 104≤ Re≤ 1.2× 105. Ocean Engineering, 111, 218-233.
Placzek, A., Sigrist, J.F. and Hamdouni, A. (2009). Numerical simulation of an oscillating cylinder in a cross-flow at low Reynolds number: Forced and free oscillations. Computers & Fluids, 38(1), 80-100.
Quen, L.K., Abu, A., Kato, N., Muhamad, P., Sahekhaini, A. and Abdullah, H. (2014). Investigation on the effectiveness of helical strakes in suppressing VIV of flexible riser. Applied Ocean Research, 44, 82-91.
Rabiee, A. H. and Esmaeili, M. (2019). Simultaneous vortex-and wake-induced vibration suppression of tandem-arranged circular cylinders using active feedback control system. Journal of Sound and Vibration, 115131.
Sui, J., Wang, J., Liang, S. and Tian, Q. (2016). VIV suppression for a large mass-damping cylinder attached with helical strakes. Journal of Fluids and Structures, 62, 125-146.
Wang, W., Song, B., Mao, Z., Tian, W. and Zhang, T. (2019). Numerical investigation on VIV suppression of marine riser with triangle groove strips attached on its surface. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 11(2), 875-882.
Xue, H., Wang, K. and Tang, W. (2015). A practical approach to predicting cross-flow and in-line VIV response for deepwater risers. Applied ocean research, 52, 92-101.
Zdravkovich, M. (1981). Review and classification of various aerodynamic and hydrodynamic means for suppressing vortex shedding. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 7(2), 145-189.
Zhu, H., Gao, Y. and Zhou, T. (2018). Flow-induced vibration of a locally rough cylinder with two symmetrical strips attached on its surface: Effect of the location and shape of strips. Applied Ocean Research, 72, 122-140.
Zhu, H. and Yao, J. (2015). Numerical evaluation of passive control of VIV by small control rods. Applied Ocean Research, 51, 93-116.