ON THE WAKE STRUCTURES OF FLOW AROUND DEFORMING AND VIBRATING BODIES
(2013)- Abstract
- 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... (More) - 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. (Less) - Abstract (Swedish)
- 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... (More) - 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. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/3738794
- author
- Cesur, Alper LU
- supervisor
- opponent
-
- Professor Andersson, Helge I, NTNU, Trondheim, Norway
- organization
- publishing date
- 2013
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- keywords
- Large Eddy Simulation, Fluid-Structure Interaction, Vortex-induced Vibrations
- pages
- 106 pages
- defense location
- Room MA1, Matteannexet, Ole Römersväg 1, Lund University Faculty of Engineering
- defense date
- 2013-06-12 10:15:00
- language
- English
- LU publication?
- yes
- id
- 3ac33b52-6117-4a20-b784-f25680cf2ade (old id 3738794)
- date added to LUP
- 2016-04-04 13:44:47
- date last changed
- 2018-11-21 21:16:00
@phdthesis{3ac33b52-6117-4a20-b784-f25680cf2ade, abstract = {{This thesis concerns the study of Fluid-Structure interaction phenomena<br/><br> among deforming and (non-deforming) vibrating objects under unsteady<br/><br> <br/><br> fluid fl<br/><br> ow exposures. This multi-physical phenomenon is widely encountered<br/><br> in real-life situations and therefore it is of significant importance<br/><br> to understand the underlying physics. The trend is that both industrial<br/><br> and research facilities aim for developing methods that treat this complex<br/><br> and multi-disciplinary problem with high accuracy and also sufficient efficiency.<br/><br> Time-domain simulations, that is the dominating prediction tool within<br/><br> the FSI-community although frequency-domain representation is still<br/><br> used to some extent, have been integrated with two different structural<br/><br> models that model the solid objects. For the vibrating rigid object<br/><br> an Immersed Boundary (IB) method based on the use of Cartesian<br/><br> mesh is used to represent the solid object by using momentum source<br/><br> that enforce the required boundary condition. The deforming object,<br/><br> on the other hand, is modelled by a three-dimensional Finite Element<br/><br> (FE) formulation based on collocated mesh formulation. An Arbitrary<br/><br> Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation provides the deformation of the<br/><br> object which is solved in conjunction with the fl<br/><br> uid and solid solvers.<br/><br> Further, a partitioned FSI-approach based on strong coupling strategy<br/><br> assures for reliable <br/><br> flow and solid domain quantities.<br/><br> The time-dependent and unsteady fl<br/><br> uid <br/><br> flow is predicted based on<br/><br> Implicit Large Eddy Simulations (ILES) which becomes a prerequisite in<br/><br> order to resolve <br/><br> flow processes involving large-scale structures with sufficient accuracy. In particular, separation processes, vortex shedding and<br/><br> possibly vortex-pairing are <br/><br> flow phenomena of such kind that typically<br/><br> are encountered when the <br/><br> flow around an object enforces the body to<br/><br> be deformed or displaced, which in turn, alters the character of the <br/><br> flow<br/><br> structures.<br/><br> In the context of deformable- and rigid body motions, this study is<br/><br> especially focused in the near-wake (instantaneously) behaviour of fl<br/><br> ow<br/><br> structures in conjunction with dependency of wake topologies when the<br/><br> unsteady wake fl<br/><br> ow generates unsteady loading on the object. The variations<br/><br> in response dynamics of the objects are studied in parallel and<br/><br> a direct/indirect coupling is made in the object-wake dynamics in order<br/><br> to better understand the complex two-way FSI phenomenon. In<br/><br> the analyses, particular post-processing tools for the fl<br/><br> uid-<br/><br> flow, such as<br/><br> Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Dynamic Mode Decomposition<br/><br> (DMD) have served as a toolbox. It is shown that very useful<br/><br> conclusions can be drawn and hence, attribute these findings to relevant<br/><br> mechanisms underlying the FSI problem.}}, author = {{Cesur, Alper}}, keywords = {{Large Eddy Simulation; Fluid-Structure Interaction; Vortex-induced Vibrations}}, language = {{eng}}, school = {{Lund University}}, title = {{ON THE WAKE STRUCTURES OF FLOW AROUND DEFORMING AND VIBRATING BODIES}}, url = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/6195119/3738798.pdf}}, year = {{2013}}, }