Vortex-induced Vibrations Of An Elastically Mounted Circular Cylinder In Two Degrees Of Freedom

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2002
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2002
Akışkan-Yapı etkileşimlerine çoğu mühendislik alanında rastlanmaktadır. Bu etkileşimler yapının titreşimlerini arttırır ve bazı istenmeyen şartlar altında yapısal hasarlara neden olabilir. Sıklıkla karşılaşılan bir akış-yapı etkileşimi, yapıdan ayrılan vortekslerin yapı üzerinde titreşimler indüklemesi şeklindedir. Bu çalışmada, üniform bir akış alanı içinde iki serbestlik derecesine sahip olacak şekilde elastik olarak bağlı bir dairesel silindirin vortekslerce indüklenen titreşimleri “Vortex in Cell” tekniğini de kapsayan ayrık vorteks metodu ile sayısal olarak incelenmiştir. Tüm hesaplamalarda silindirin çapına bağlı Re sayısı 200 olarak alınmıştır ve silindir hareketi kütle-yay-sönüm sistemi ile modellenmiştir. Akışkan hareketi ve yapısal tepkiler iteratif olarak çözülmüştür. Bu sayede akışkan ve yapı arasındaki etkileşim uygun şekilde ele alınabilmiştir. Silindirin tepkisi, indüklenen kuvvetler, vorteks oluşum frekansı ve iz vorteks yapısı analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerde, yapının, M*=m/(D2) akışkan yoğunluklar oranının silindir tepkisine etkisi (burada m yapısal kütle,  akışkanın yoğunluğu, D de silindirin çapıdır) fn/fs* frekanslar oranının(burada fn yapısal frekans, fs* ise rijit silindirin vorteks oluşum doğal frekansıdır.) bir fonksiyonu olarak, indirgenmiş sönümleme parametresi Sg=0.01 sabit değeri için incelenmiştir. Sabit Strouhal sayısında, Sg, sönümleme faktörü ve M* yoğunluklar oranı çarpımı ile doğru orantılıdır. M* kütle parametresinin 1 ile 10 arasında değişen beş ayrı değeri için inceleme yapılmıştır. Silindirin vortekslerce indüklenen tepkisinin önemli bir ölçüde olabilmesi için fn/fs* frekanslar oranının 1.0 değeri civarında daha yoğun olmak üzere 0.65 ile 2.60 arasında çeşitli değerleri için inceleme yapılmıştır. Kilitlenme “ Lock on ” olayını tesbit edebilmek için deplasman faz grafikleri, sürükleme, taşıma kuvvet katsayıları ve bunlara karşı gelen akış hallerinin zamanla değişimi çözülmüş ve irdelenmiştir. Sonuçlar önceki çalışmalardakilerle karşılaştırılmış ve uygunluklar bulunmuştur.
Fluid-Structure Interactions occur in many engineering fields. These interactions give rise to complicated vibrations of the structures and can cause structural damage under certain unfavourable conditions. A common fluid-structure interaction problem is the flow-induced vibrations of a structure caused by vortex shedding from the structure. In this study, a numerical study of a uniform flow past an elastically mounted circular cylinder using the discrete vortex method incorporating the vortex in cell (VIC) technique has been undertaken. The Reynolds number based on the cylinder diameter is kept at 200 for all calculations and the cylinder motion is modelled by a spring-damper-mass system. The fluid motion and the structural responses are solved in an iterative way so that the interactions between the fluid and the structure can be accounted for properly. Analyses of the cylinder responses, the induced forces, the vortex shedding frequency and the vortex structure in the wake have been carried out. In these analyses, effect of structure to fluid density ratio M*=m/(D2) (where m is the structural mass,  is the fluid density, D is the cylinder diameter) as function of the frequency ratio fn/fs* (where fn is the structural frequency, fs* is the natural vortex shedding frequency of rigid cylinder) is examined for a constant reduced damping parameter Sg=0.01. At a constant Strouhal number, Sg is proportional to multiplication of damping factor with M*. Five different values of mass parameter M* extending from 1 to 10 are examined. In order to have a significant vortex-induced response, the frequency ratio, fn/fs*, ranges from 0.65 to 2.6, with most of the cases concentrated around fn/fs*=1. Drag, lift coefficients, cylinder oscillations in x and y directions and the variation with time of the corresponding wake structures are examined to find the locking-on region. The results are compared with previous numerical studies. A fair agreement is found.
Yüksek Lisans
M.Sc.