Effect of tip flow on vortex induced vibration of circular cylinders
Dairesel silindirlerin girdap kaynaklı titreşimlerine uç akımının etkileri
- Tez No: 727717
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 186
Özet
Akış kaynaklı titreşimlerin karmaşık alt konularından biri olan girdap kaynaklı titreşimlere (GKT) ait fiziksel olayı ve matematik modelini tek bir teori ile ifade etmek mümkün değildir. Ortaya konan yaklaşımlar yüksek dereceden ve lineer olmayan terimler içerdiği için hesaplama yükünü oldukça artırmaktadır. GKT, açık deniz mühendisliğini ilgilendiren neredeyse bütün alanlarda önemli bir konu olarak incelenmesine rağmen, bu konudaki çalışmalar henüz olgunluk kazanacak seviyeye ulaşamamıştır. Kablolar, demirleme teçhizatları, yükselticiler, çıkış boruları gibi derin deniz petrol üretim sistemlerinde ve açık deniz endüstrisinde kullanılan ekipmanların genellikle küt cisimler olması, GKT'nin bu yapıları tahribata uğratma ve üzerinde yıkıcı etkiler göstermesine neden olmaktadır. Dünya genelinde, açık deniz yapıları sayılarındaki artış, petrol şirketlerinin yeni hedeflere yönelmelerine ve araştırmalarını sığ sulardan daha derin denizlere taşımalarına neden olmaktadır. Bunun sonucu olarak da GKT konusuna olan ilgi artarak devam etmektedir. Bunlara ek olarak, son yıllarda yürütülen çalışmalar ve icat edilen bazı düzenekler, GKT olayından yararlanılarak yenilenebilir enerji elde etmenin mümkün olduğunu göstermiştir. Olayın fiziksel altyapısını kullanarak geliştirilmiş debi ölçüm aleti, su pompası gibi faydalı sistemlerden bahseden çalışmalar mevcuttur. Yakın zamanda icat edilen ve geleneksel GKT düzeneklerine benzer olarak üretilen VIVACE isimli aletin, üzerine eklenen enerji üreteci yardımıyla akan suyun enerjisini elektrik enerjisine dönüştürebilmesi bunun en güzel örneklerindendir. Başka bir benzer çalışmada ise piezoelektrik malzemeler kullanılarak GKT hareketinden faydalanılmış ve akış içindeki düzenekten elektrik enerjisi elde edilmiştir. Bütün bu gelişmelere ek olarak, yüksek kapasiteli bilgisayarların eskiye nazaran daha erişilebilir olması, GKT çalışmalarına hız kazandıran etkenlerden biri olmuştur. Son dönemde geliştirilen bazı sayısal yöntemlerin sunduğu akış ve türbülans modelleri sayesinde daha güvenilir sonuçlar almak mümkündür. Bu durum bir çok akışkan – yapı etkileşimi probleminin çözümünde olduğu gibi, araştırmacıları GKT konusunda daha fazla sayısal çözümler üretmeye teşvik etmektedir. GKT olayının doğası karmaşıktır. Ortaya konan matematik modeller genellikle problemi fazlaca basitleştirmekte ve bu da benzer boyutsuz parametrelerle gerçekleştirilen iki farklı araştırma sonucunu kısmen veya tamamen uyumsuz hale getirmektedir. GKT hadisesinde akışa ait üç boyutlu karakteristikler önemli rol oynamaktadır. Tercih edilen matematik model veya deneysel düzeneğe göre değişiklik göstermekle birlikte, GKT çalışmalarında sıklıkla tercih edilen dairesel silindirler üzerinde iki veya üç boyutlu akış özellikleri taşıyan girdap hareketlerini gözlemlemek mümkündür. Bazı çalışmalarda neredeyse tamamen üç boyutlu akış özellikleri etki ederken, diğerlerinde iki boyutlu akış özellikleri hakimdir. Örneğin, silindir uçlarından kaçan akım, uç plakaları yardımıyla en aza indirgenerek silindir boyunca oluşan girdapları iki boyutlu hale yaklaştırmayı hedefleyen çalışmalar mevcuttur. Fakat üç boyutlu etkileri uç plakaları kullanarak tamamen ortadan kaldırmak mümkün değildir. Üç boyutlu akış etkilerinin GKT hareketi üzerinde olan etkilerini belirlemede önemli olan diğer bir husus ise çalışmada kullanılan silindire ait boy – en oranıdır. Uçları serbest (plaka vb. ile kapatılmamış) dairesel bir silindir üzerinden geçen akışın bir kısmı bu uçlardan dışarı doğru hucüm ederek uç girdapları oluştururlar. Bu girdap çeşidi silindir uçlarında GKT olayına başlıca katkı sağlayan Karman girdap caddesinin yerini alarak salınım hareketini azaltır. Bu nedenle silindire ait boy – en oranı, akış kaynaklı hareketin üç boyutlu davranışıyla ve bu davranışın GKT hareketi üzerindeki dominasyonu ile ters orantılıdır. Şayet silindire ait boy – en oranı yeterince büyük ise, uçlardan kaçan akım ve oluşturduğu uç girdaplarının salınım hareketine etkisi ihmal edilebilir. GKT hareketi üzerinde uç akış etkileri genellikle şunlara bakılarak incelenir: hareketin genliği, hareketin frekansı, ve silindirin hareketi ile girdap kopma arasında oluşan faz farkı. Yukarıda değinilen nedenlerden ötürü GKT çalışmalarında uç akışın harekete etkisini hesaplamalarda göz önünde bulundurmak gereklidir. İki boyutlu sayısal çalışmalarda tüm silindir hattı boyunca Karman girdap caddesi olduğu kabul edilir; oysa ki üç boyutlu sayısal veya deneysel bir GKT çalışmasında, silindir iz bölgesindeki girdaplar incelendiğinde bu silindirin sadece orta noktası ve yakın civarında Karman girdapları gözlemlenebilmektedir. Üç boyutlu model kullanan çalışmalar, hücresel dökülme (cellular shedding), çapraz akış (cross-flow) ve uç akışı (tip flow) gibi nedenlere bağlı olarak silindir üzerinde oluşan akımın orta noktadan kenarlara doğru değiştiğini göstermektedir. Bu çalışmalarda gerçek akış özelliklerini sayısal modellemelere yansıtabilmek için girdapların oluşturduğu karmaşık uzaysal – boyutsal değişiklikleri hesaplayabilen yüksek bilgisayar gücü gerekmektedir. Bu nedenle, GKT problemlerini sayısal olarak çözmeyi hedefleyen çalışmaların (son yıllarda yeni bir çok örneği ortaya konmasına rağmen) daha düşük hesaplama maliyeti ile daha doğru sonuçlar verecek şekilde iyileştirilmesi gereği doğmuştur. Tüm bunlar nedeniyle, araştırmacılar genellikle görece daha basit olan iki boyutlu sayısal çalışmaları tercih etmektedirler. Bu yaklaşım ile yapılan analizler gerekli bilgisayar ve hesaplama gücünü önemli ölçüde azaltsa da üç boyutlu GKT olayında görülen bazı belirgin akış özelliklerini yansıtamamaktadır (çapraz akış, hücresel dökülme, uç akışı veya uç girdapları gibi). Bu durumda iki boyutlu bir model kullanılarak yapılacak olan GKT analizlerinin içinde üç boyutlu akış özelliklerini barındıracak bir güncelleme yapılması çok yararlı olacaktır; böylece iki boyutlu bir simülasyon ile uç etkilerin GKT hareketi üzerindeki etkisi sonuçlar üzerine yansıtılabilir. Bu amaca yönelik olarak, tezin bir kısmı, kullanılan iki boyutlu sayısal yaklaşımın bir düzeltme katsayısıyla üç boyutlu akış özelliklerini sonuçlara yansıtılabilmesine ayrılmıştır. Su içinde, elastik olarak bağlanmış rijit dairesel bir silindir üzerine etkiyen kuvvet, sonlu hacimler yöntemi kullanılarak dar zaman aralıklarında hesaplanmıştır. Buradaki dikey kuvveti sayısal çalışmada“üç boyutluluk faktörü”adı verilen bir terim ile ölçeklendirilmiştir. Bu yöntem ile iki boyutlu matematiksel çözüm içerisine üç boyutlu etkiler yerleştirilmiş ve ulaşılan salınım genlikleri gerçek değerlere yaklaştırılmıştır. Kullanılan bu katsayı, dikey kuvveti, faz farkını ve salınım frekansını da değiştirmektedir. Ayrıca salınım hareketine ait senkronizasyon aralığını, özellikle alt dallanma bölgesinde (lower branch) olmak üzere, değiştirmektedir. Tezin bu kısmında geliştirilen sayısal yöntemin ürettiği sonuçlar ile bazı deneysel çalışmalar kıyaslanmıştır. Böylece söz konusu iki boyutlu sayısal yaklaşım üzerinde yapılan iyileştirmeler ortaya konarak tartışılmış ve irdelenen deneysel çalışmalara uygun düşen düzeltme katsayısı tespit edilmiştir. Tezin bir diğer bölümünde, GKT olayında uç akış etkilerinin deneysel olarak incelenmesi hedeflenmiştir. Deneyler, İstanbul Teknik Üniversitesi Ata Nutku Gemi Model Deney Laboratuvarı'nda yer alan sirkülasyon kanalında yürütülmüştür. Her bir testte boyları sistematik olarak değiştirilmiş farklı silindirler kullanılmış ve bu silindirlerin uçları sirkülasyon kanalının kenarlarından aynı oranda uzaklaştırılmıştır. 1.93, 2.24 ve 2.52 olmak üzere üç farklı ağırlık oranı (m^*) kullanılmış olup, bu deneyler TrSL2 ve TrSL3 (geçiş kayma tabakaları) akış rejimlerine denk gelen 1.6×104 – 8×104 arası Reynolds sayılarında ve altkritik akış bölgesinde (subcritical region) gerçekleştirilmiştir. Boyutsuzlaştırılmış akış hızları (U^*) 3 – 13 arasındadır. Boy – en oranları 11.225 ile 17.7875 arasında değişen altı farklı silindir kullanılmıştır. En uzun silindirin olası uç akış etkilerinden muhafaza edilmesi amaçlanmıştır; bu nedenle kenarları neredeyse sirkülasyon kanalının duvarlarına değecek kadar yakın şekilde ayarlanarak akışın buralardan kaçması büyük oranda engellenmiştir. Daha sonra bu uzunluk her bir silindir için sistematik biçimde kısaltılarak silindir uçları kanal duvarlarından uzaklaştırılmıştır. Silindirlerin boyları değiştirilirken çapları D=0.08m olarak sabit bırakılmıştır. Dolayısıyla silindir boyu kısaldıkça boy – en oranları küçültülmüş ve hem silindir üzerindeki akışın üç boyutlu karakteristikleri daha belirgin olarak gözlemlenmiş hem de uçlardan daha fazla akışın kaçmasına izin verilmiştir. Bunların neticesinde de girdap oluşum bölgesinde (iz bölgesi) meydana gelen bozulma, Karman girdap caddesinin mevcudiyetini orantısal olarak azaltmış ve dolayısıyla daha az dikey kuvvet oluşmasına neden olmuştur. Nihayetinde, silindirlerin ortaya koyduğu GKT davranışlarında bazı temel farklar ortaya çıkmış ve daha dar bir senkronizasyon aralığında, daha düşük salınım genlikleri ile daha büyük faz farkı gözlemlenmiştir. Tezin son bölümünde ise silindirlerin boy – en oranının değişimi ile uç akışın harekete etkisi, GKT'den elde edilen yenilenebilir enerji açısından ele alınmıştır. Dönüştürülen enerji ve elde edilen maksimum verimlilik değerleri, sirkülasyon kanalında yapılan deney sonuçlarında elde edilen genlik (A^*) ve frekans (f^*) gibi değerlerinin, güç hesabı için elde edilen matematiksel ifadede yerine konmasıyla elde edilmiştir. Çalışma sonucunda uç etkilerin enerji üretiminde oldukça baskın olduğu görülmüştür. Bu bölümde, GKT olayını enerji üretimi açısından irdelerken, akış rejimlerinin karakteristiği ve performansı üzerindeki etkisi hakkında bilgi verilmiştir. Daha yüksek kayma – akış momentumu üreten TrSL3 akış rejiminde daha fazla güç elde edilirken, enerji üretiminin verimliliği açısından TrSL2 akış rejimi öne çıkmıştır. Uç etkilere daha fazla maruz kalan silindirlerden elde edilen güç ve verimliliklerin daha düşük olduğu görülmüştür.
Özet (Çeviri)
As one of the complicated subject of flow-induced vibration (FIV), the physical background of Vortex-Induced Vibration (VIV) and its mathematical model can not be represented by a single theory. The solutions contain highly non-linear terms increasing the computational burden. Investigations on this area have not yet matured although it takes place in almost all fields of ocean engineering. VIV has destructive effects on deep-sea oil production and offshore industry equipment since the phenomenon is observed around the bluff bodies such as marine cables, moorings, risers and pipes. As the number of offshore structures around the world increased, the oil companies have identified new targets and started moving away from shallow waters to deep-waters. This is considered to increase the interest in VIV in the future. Moreover, recent researches have revealed that it is possible to benefit from this phenomenon. A recently invented device, VIVACE, succeeded to convert the energy in water currents into electric energy by fitting a power generator into conventional VIV models. Some other studies propose piezoelectric materials to derive energy from VIV mechanisms. Recent studies have also revealed that VIV may also be used for developing some gauges such as water measuring device. Taking these new developments into the account, the number of VIV researches are increasing rapidly in parallel with reachable higher computational technologies. Moreover, the reliability of numerical studies are improving thanks to the better approximations of flow and turbulence models. The nature of VIV phenomenon is highly non-linear. Mathematical models simplify the problem in many ways by leading to partly or entirely incompatible results between different studies, even if these studies are using the same non-dimensional parameters. At this point, three-dimensionality of the flow plays an important role in many of these studies. Depending on the mathematical model in numerical studies, or the lab setup in experimental ones; the oscillating body might be exposed to more 3D effects while in some others the flow might even be 2D in the entire wake. 3D effects are mostly dependent on the aspect ratio of the circular cylinder and end conditions (such as usage of end-plates or not). The flow partly escapes through the free-ends of the bluff body and creates a trailing vortex at the tips spoiling the shedding process, contributing to the oscillations of that body. The aspect ratio is inversely proportional to the three-dimensionality of the flow and its dominance on the VIV response. If the aspect ratio is sufficiently large, the escaping flow from the tips can even be neglected. Effect of tip flow on the VIV response are generally observed through the oscillation amplitude, the frequency response, and the phase difference between the oscillation of the cylinder and the vortex shedding. Due to the reasons explained above, the effect of tip flow should be taken into consideration in calculations. A 2D VIV approach typically neglects the finiteness of the aspect ratio and assumes that Karman vortex street covers the entire wake while it can be observed only around the mid-section of a three-dimensional VIV. Studies adopting a 3D model indicate that the vorticity type along a VIV cylinder changes from the mid-section to the tips of the cylinder due to cellular sheddings, cross-flow and tip-flow. Despite a boost in recent studies, numerical approaches to solve the VIV problem are still in progress since current methods are incapable of reflecting the experimental conditions sufficiently, requiring unaffordable computational power due to the complexity of spatial alteration of vortices in the wake. Therefore, researchers generally prefer relatively simpler 2D methods. Although these methods have the advantage of decreasing the computational cost; some characteristics of VIV phenomenon, observable in only 3D studies, such as cross-flows, cellular sheddings and tip flow (and tip vortices) can not be represented with a 2D flow assumption. An adoptable enhancement would be worth to pursue to implement into a 2D model, representing partial three-dimensional flow, so that these effects can be partly compensated to obtain more realistic results. A chapter of this thesis is devoted to this purpose by proposing a scaling factor to represent three-dimensional characteristics of the flow around circular cylinder in a 2D numerical model. The finite volume method is used to calculate force term at each time step acting on the oscillating cylinder. The lift force is scaled by a newly proposed term named as the“three-dimensionality factor”. By using this factor in the equation of motion to reflect three-dimensionality, a reduction in oscillation amplitude is examined. This factor alters the lift force, the phase difference, and therefore the oscillation frequency. It also changes the synchronization range especially at the lower branch region. Eventually, the numerical method has been compared with some experimental data. The enhancement in the 2D numerical method is demonstrated and discussed. A suitable scaling factor is proposed for the chosen experimental cases. The experimental part of this thesis focuses on the effect of tip flow by changing systematically the aspect ratios and the distance from the edges of the cylinders to walls of the circulation channel. The experiments are carried out at İstanbul Technical University (İTÜ) Ata Nutku Ship Model Testing Laboratory (ANSMT Lab) located in the Faculty of Naval Architecture and Ocean Engineering. Mass ratios of 1.93, 2.24, and 2.52 are considered and the resulting Reynolds number range is 1.6×104 – 8×104 corresponding to the sub-critical TrSL2 and TrSL3 (transition in shear layer) flow regimes. The nondimensional velocities (U^*) range from 3 to 13. Six different circular cylinders are used with different aspect ratios varying from 11.225 to 17.7875. The cylinder with the longest length extends to the walls of the circulation channel (as much as possible) and the length of each cylinder is shortened systematically while the diameter is kept constant at 0.08m. As the length of the cylinder is reduced, three-dimensionality of the flow increases and the flow escaping from the tips gets higher. This is accompanied by vortex disturbances which causes a loss on the lift force due to the decreasing Karman vortex street in the wake of the cylinder. Eventually, VIV response of the cylinder differentiates into a narrower synchronization range, lower oscillation amplitude and larger differences in phase angles. In the last section of the thesis, effect of aspect ratio and tip flow on VIV is investigated through hydrokinetic energy harnessing from the phenomenon. Three-dimensional effects, reducing the effective length of the cylinder, are discussed in terms of energy generation. Converted power and maximum system efficiencies are calculated from experiments conducted in the recirculation channel of the ANSMT Laboratory. It was found that the end-zones of the cylinder, which do not induce lift due to tip flow, are more dominant in lower aspect ratio cylinders. More power can be captured from TrSL3 flows due to higher shear-flow momentum while higher efficiency in power conversion is achieved in TrSL2.
Benzer Tezler
- Effect of mass ratio and passive turbulence control strips on vortex-induced vibration and galloping regions of circular cylinders
Kütle oranı ve pasif türbülans kontrolü şeritlerinin dairesel silindirlerin girdap kaynaklı titreşimi ve galop rejimine etkisi
MOSTAFA TAREK ABDELAZIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Tek serbestlik dereceli dairesel silindirin girdap kaynaklı titreşimleri üzerinde serbest su yüzeyinin etkileri
Free surface effects on vortex-induced vibrations of a single-degree-of-freedom circular cylinder
ALKIN ERDAL DEMİRHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Improving raceway reactor productivity via vortex induced vibrations for cost effective microalgae production
Maliyet etkin mikroyosun üretimi için girdap kaynaklı titreşimlerle alg havuzu performansının artırılması
MEHMET SADIK AKCA
Doktora
İngilizce
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BULENT İNANC
- Çeşitli kanat ucu modelleri için sürükleme kuvvetinin azaltılmasının hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleri ile incelenmesi
Study on reducing the drag force for various wing tip models by using computational fluid dynamics methods
ERKAN YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Havacılık MühendisliğiHava Harp Okulu KomutanlığıHavacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERGÜVEN VATANDAŞ
YRD. DOÇ. DR. İBRAHİM KOÇ
- Pervanenin girdap kafes yöntemiyle aerodinamik analizi
Aerodynamic analysis of a propeller by vortex lattice method
NİHAN ELMAS BAŞGÜNEY
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT ADİL YÜKSELEN