Numerical investigation of 3D flow around a circular cylinder with forced oscillations

Abstract

Sirkulære sylindere blir brukt i ulike maritime anvendelser som rørledninger og stigerør. Flere eksperimenter utført ved Marintek ble gjennomført av K.H. Aronsen på problemet med en sylinder som svinger både i x- og y-retning. Problemstillingen i denne avhandlingen er å finne en ingeniørmetode for å kunne gjenskape disse funnene numerisk. Large Eddy Simulations med en Smagorinsky subgrid scale modell blir brukt for å numerisk simulere den turbulente tre-dimensjonale strømningen rundt en tvungen svingende sylinder. Reynoldstallet er 24000, noe som ligger i det subkritiske strømningsspekteret, basert på en sylinderdiameter på 0,1 meter og en strømhastighet p˚a U = 0,24 m/s. Koden som blir brukt er den kommersielle programvaren STARCCM+. Sylinderen blir tvunget til å svinge bde i x- og y-retning, og et strukturert mesh med et ”prismlayer” er blitt laget for to geometrier og tre ulike meshstørrelser for å undersøke konvergens. Resultatene blir presentert som hydrodynamiske koeffisienter, vortisitetsfordeling og plottet bevegelse. Resultatene blir sammenlignet med publiserte eksperimentelle funn. De viktigste funnene er at det valgte meshet ikke fungerer til å løse problemet som blir studert, og at en ny meshtype eller et finere mesh må brukes. Videre arbeid kan være å bruke det eksisterende meshet, men forbedre det for så å kjøre lengre og tyngre simuleringer, eller å prøve meshet på et enklere problem eller prøve en annen meshtype.

Circular cylinders are utilized in a variety of marine applications such as pipelines and risers. Several experiments done at Marintek was conducted by K.H. Aronsen on the problem of a cylinder oscillating in both x and y-direction. The problem of this thesis is to find an engineering method to numerically replicate these findings. Large Eddy Simulation (LES) with a Smagorinsky subgrid scale model is used to numerically simulate turbulent 3D flow around a forced oscillating cylinder. The Reynolds number is 24000, which is in the subcritical flow domain, based on a cylinder diameter of 0.1 meters and a free stream velocity of U = 0.24 m/s. The code used is the commercial software STAR-CCM+ The cylinder is forced to oscillate in both x and y-direction and a structured mesh with a prism layer is made for two geometries and different mesh sizes to look at convergence. The results are presented as; hydrodynamic coefficients, vorticity distribution and motion plots. The results are compared to published experimental findings. The main findings are that the chosen mesh time is not working to solve the problem at hand and that a new mesh type or a finer mesh must be used. Further work can be to use the existing mesh but refine it to run longer and heavier simulations, try the mesh on a simpler problem or try a different mesh type.