Advanced

ON THE WAKE STRUCTURES OF FLOW AROUND DEFORMING AND VIBRATING BODIES

Cesur, Alper LU (2013)
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)
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)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Andersson, Helge I, NTNU, Trondheim, Norway
organization
publishing date
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
language
English
LU publication?
yes
id
3ac33b52-6117-4a20-b784-f25680cf2ade (old id 3738794)
date added to LUP
2013-05-17 13:31:12
date last changed
2016-09-19 08:45:17
@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},
  keyword      = {Large Eddy Simulation,Fluid-Structure Interaction,Vortex-induced Vibrations},
  language     = {eng},
  pages        = {106},
  school       = {Lund University},
  title        = {ON THE WAKE STRUCTURES OF FLOW AROUND DEFORMING AND VIBRATING BODIES},
  year         = {2013},
}