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
- Tez No: 843443
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Gemi Mühendisliği, Marine Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Açık Deniz Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Temiz ve sürdürülebilir bir enerji kaynağına olan ihtiyaç, birçok araştırmacıyı farklı yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerjiyi kullanmaya yönelik çaba göstermeye teşvik etmektedir. Bu kaynaklardan biri de okyanus ve nehir akıntılarından üretilen yenilenebilir enerjidir. Deniz kabloları veya borular gibi esnek cisimler, bir akışkanın akışı nedeniyle hareket yaşadığında, bu harekete Akışa Bağlı Hareket (Flow Induced Motions: FIM) denir. FIM'nin farklı formları vardır, Girdap Kaynaklı Titreşim (Vortex-Induced Vibration: VIV) FIM'nin en iyi bilinen alt kollarından biridir. Elastik olarak bağlanan sabit rijit bir silindir, bir akış içine yerleştirildiğinde, akışkan silindirin üzerinden geçer ve girdaplar oluşturur, bu girdaplar titreşim üreten salınımlı kuvvetlere neden olur. Sonuç olarak, elastik cisim akış rejimi, akışkan özellikleri ve kullanılan yapıya bağlı olarak hareket yaşar. FIM'nin başka bir formu da galop olarak adlandırılır ve her iki olgu da akışkan dinamiği kararsızlığıdır. Ancak, galop bölgesinde daha büyük genlikli ve daha agresif hareketler yaşanır. Bu tez çalışmasında, hem VIV hem de galop rejimi bölgeleri incelenecektir. Çalışma iki ana noktayı kapsamaktadır. İlk nokta, VIV ve galop rejimi üzerinde kütlenin etkisidir. Bu kısımda, üç kütle oranının etkisi incelenecektir. Bu üç kütle oranı sırasıyla 1.39, 1.75 ve 2 olarak çalışmanın düşük kütle-sönüm sistemlerine odaklanmasını sağlamaktadır. Bu tip sistemlerde büyük bir cisim hareketi gözlemlenirken yüksek genlikler nedeniyle VIV hareketinin bastırılması çok zor hale gelir. Bu nedenle, istenmeyen titreşimlerin bastırılması için bir yöntem olarak Pasif Turbulans Kontrolü (Passive Turbulence Control: PTC) yöntemi tanıtılacak ve detaylı olarak açıklanacaktır. Burada kullanılan“bastırmak”terimi, yapıyı zaman içinde yıkıma uğratma riski oluşturan istenmeyen titreşimlerin bastırılmasına işaret eder. PTC, silindirin yüzeyi boyunca simetrik olarak yerleştirilen iki pürüzlü şeritten oluşur ve silindir ekseniyle paraleldir. PTC'nin kullanımındaki temel fikir, sınır tabakası ayrılmasını değiştirerek sınır tabaka ayrılmasında değişiklikler yaparak sürüklenme kuvvetini artırmadan titreşimleri bastırmaktır. PTC kullanımı, kullanılan silindirin geometrisini değiştirerek ek bir enerji kaynağı kullanmadan enerji biriktirmeye izin verecektir. Bu çalışmada, PTC kullanımı, VIV bölgesindeki genlik büyüklüğünü %35 azaltmıştır. Bu çalışmanın ikinci ana noktası, PTC'nin çevresel konumunun değiştirilmesinin etkisini incelemektir. Çift taraflı bant, 1,8 cm genişliğinde ve 2 mm kalınlığında bir PTC şeridi olarak kullanılmıştır. Şeritlerin kalınlığı ve pürüzlülüğü sabit iken, şeritlerin açısının silindir ekseni boyunca değiştirilmesiyle bu etki test edilmiştir. Bu deney sırasında, farklı açılar için (30˚-46˚) ve (134˚-150˚) seçilen iki kütle oranı (1.39 ve 1.75) test edilmiştir. Çalışmanın bu aşamasında, yüksek açıların genlik ve frekans hareketlerinin tüm durumlarda daha yüksek olduğu bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
The need for a clean and sustainable source of energy encouraged many researchers to put efforts to utilize the energy from different renewable resources. One of those resources is the energy generated from ocean and river currents. When flexible bodies such as marine cables or pipes experience motion because of the flow of a fluid this motion is called Flow Induced Motion (FIM). There are different forms of FIM, Vortex-Induced Vibration (VIV) is the most well know form of FIM. When a flexible body such as an elastic cylinder is placed against a steady flow, the fluid passes over the cylinder creating vortices, those vortices result in oscillatory forces which generate vibration. As a result, the elastic body experience motion depending on the flow regime, fluid characteristics, and the structure used. Another form of FIM is called galloping which is similar to VIV as both phenomena are fluid dynamic insatiability. However, larger amplitude responses and more aggressive motion are experienced in the galloping region. In this thesis study, both VIV and galloping regions will be investigated. This study covers two main points. The first point is the effect of the mass ratio on VIV and galloping while using PTC, in this part the effect of three mass ratios is examined. Those three mass ratios are 1.39, 1.75, and 2, the selection of the mass ratios makes the focus of the study on the low-mass damping systems, in those systems a large body motion is observed which makes it very challenging to suppress the vortex-induced motion due to the high amplitude encountered when there are high flow velocities and low mass ratios. As a result, the Passive Turbulence Control (PTC) method will be introduced and explained in detail as a way to suppress the undesirable vibration resulting from the VIV phenomenon. The term“suppressing”is used here to refer to the suppression of the undesirable vibration which may result in a total collapse of the structure over time. PTC consists of two roughness strips placed symmetrically along the surface of the cylinder parallel to the cylinder axis. The main idea behind the use of the PTC is to change the separation shear layers causing changes in the boundary layer separation without increasing the drag force. The suppression of vibration happens due to the use of PTC is done without using any additional source of energy, just by changing the geometry of the surface of the used cylinder. Therefore, using PTC would allow energy harnessing without damaging the used structure. In this study, using PTC resulted in reducing the amplitude response in the VIV region by 35%. The second main point covered in this study is the effect of changing the circumferential location of the PTC. A double-face tape is used as a PTC strip with a width of 1.8 cm and a thickness of 2 mm. Fixing the thickness and the roughness of the PTC while changing the angle of the strips allowed for testing the effect of two different angles along the axis of the cylinder. During this experiment, two selected mass ratios (1.39 and 1.75) are tested to determine the effect of the PTC location for angles (30˚-46˚) and (134˚-150˚). During this stage of the study, it was found that the higher the angle the higher the amplitude and the frequency responses under all conditions of the current study. As a result, the outcome of this investigation is crucial to be considered as the vibration resulting from the higher angle over time could cause serious damage to the structure used. Therefore, the finding of the study is worth considering for a safe design for offshore structures.
Benzer Tezler
- Aktif ve pasif kontrol yöntemlerinin radyal kompresör performansı üzerindeki etkilerinin sayısal incelenmesi ve optimizasyonu
Investigation and optimization of active and passive flow control methods on the performance of centrifugal compressors
SÜLEYMAN EMRE AK
Doktora
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
- Pasif sistemlerde türbülanslı doğal taşınım
Turbulent naturel convection in passive systems
SEYHAN UYGUR
- Küt cisimlerde sürüklenme kuvvetinin azaltılması için kilitlenmiş girdap oluşumlarının deneysel yöntemlerle araştırılması
Başlık çevirisi yok
ŞEREF ERKARA
Doktora
Türkçe
1997
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. ZEKİ ERİM
- Farklı jet ve çarpma plakası özelliklerinde çarpmalı akışkan jetlerinin ısı transferi ve akışının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of heat transfer from rib-roughened surfaces with different impinging jets
SİNAN ÇALIŞKAN
Doktora
Türkçe
2012
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞENOL BAŞKAYA
- Bina türü yapılar için pasif sönümleyici sistemlerin optimizasyonu ve analizi
Optimization and analysis of passive damper systems for building type structures
APAER MUBULI
Doktora
Türkçe
2021
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşaİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİNAN MELİH NİGDELİ