Three-dimensional Experimental Investigation of Hydrodynamic Forces and Wake Interaction between Two Square Cylinders in Large-amplitude Oscillatory Flow

Abstract

Dette arbeidet undersøker hydrodynamiske interaksjonskrefter og effekter mellom tredimensjonale kvadratiske sylindre i stor Keulegan-Carpenter-strøm (KC). Dette gjøres primært eksperimentelt, med noen innslag fra den potensielle strømningsløseren Wadam. To eksperimenter som spenner over både høst- og vårsemesteret er utført for å fange effektene av både tandem- og forskjøvede konfigurasjoner. I tillegg er det utført en mesh-analyse og numerisk simulering ved bruk av Sesam-pakken.

Oppgaven introduseres med en kort beskrivelse av motivasjonen, drevet av ambisjonen om å utforske den potensielle vidtrekkende virkningen av grønn energi og offshore solarøyer. Det gjøres en iherdig innsats for å gi en omfattende litteraturgjennomgang til tross for det begrensede temaet.

Forsøkene fant sted i Ladertanken, som ligger ved Marinteknisk senter i Trondheim. Det er en smal bølgesjakt utstyrt med en aktuator, som gjør det mulig å undersøke modeller i oscillerende bevegelse. En spesialtilpasset rigg er designet for å lette kraftmålingene. Dette muliggjør en detaljert sammenligning og vurdering av kreftene som utøves av sylindrene. Totalt ble syv forskjellige modellkonfigurasjoner testet over en rekke KC-tall frem til KC=22. Forskjøvet arrangement ble testet for

vinkler mellom 90° og 35°. Eksperimentene gav betydelige riggkrefter, som introduserer usikkerhet til målingene. Følgelig er betydelig oppmerksomhet dedikert til å synkronisere og trekke den tomme riggen fra kraftmålingene. Dette muliggjorde isolering og anskaffelse av hydrodynamisk demping og tilleggsmasse som utelukkende tilskrives sylindrene.

Numeriske simuleringer er utført på de samme eksperimentelle tilfellene for å trekke ut massekoeffisienter fra den potensielle strømningsløseren. Disse koeffisientene sammenlignes med deres eksperimentelle motstykker, sammen med innslag fra stripeteori og DNV-RP-C205. I tillegg ble de brukt i en modifisert KC avhengig Morison treghetsledd for å evaluere anvendeligheten til den potensielle strømningsløseren, og for å sammenligne denne treghetskraften med de eksperimentelle tilleggsmasse kreftene.

Forsøkene viste tydelige KC-tall, innstrømningsvinkel og avstandsforholdsavhengigheter av kreftene. De ikke-dimensjonaliserte resultatene virket stort sett uavhengige av sylinderlengder i tandem, med litt mer spredning for de minste lengdene. I motsetning til tandemkonfigurasjon, viste forskjøvet konfigurasjon avhengighet av sylinderlengde og stor stokastisitet for høyere frekvenser. En lastformulering basert på en omskrevet og ikke-dimensjonalisert Morison-ligning med KC-avhengighet er foreslått. Modellen inkorporerer den forenklede hastighetsreduksjonen foreslått av Kristiansen, men implementerer en kontinuerlig sinusfunksjon på hver halvsyklus framfor en konstant hastighetsreduksjonsfaktor. Mens den fanger essensen av 2ω forskjells kraften, undervurderer modellen de reduserte toppene. Videre sammenlignes eksperimentelle resultater med Hals sine CFD-resultater, og gir anbefalinger for forbedrede simuleringsstrategier og kompatibiliteten med eksperimentene.

Ytterligere undersøkelser er nødvendig for å utvikle en mer nøyaktig lastformulering, noe som nødvendiggjør ytterligere eksperimenter og CFD-simuleringer.

The present work investigates hydrodynamic interaction forces and effects between three-dimensional square cylinders in a large Keulegan-Carpenter (KC) flow. This is primarily done experimentally, with some features from the potential flow solver Wadam. Two experiments spanning both the fall and spring semesters have been conducted to capture the effects of both tandem and staggered arrangements. Additionally, a mesh refinement analysis and numerical simulation have been performed using the Sesam suite.

The thesis is introduced with a brief description of its motivation, driven by the aspiration to explore the potentially far-reaching impact of green energy and offshore solar islands. A diligent effort is made to provide a comprehensive literature review despite the somewhat limited topic.

The experiments took place in Ladertanken, located at the Marine Technology Center in Trondheim. It is a narrow wave flume tank equipped with an actuator, allowing for the examination of models in oscillatory motion. A custom rig is designed to facilitate force measurements. This enables a detailed comparison between the forces exerted by the cylinders, allowing for a comprehensive assessment. In total, seven different configurations were tested in tandem across a range of KC numbers up until KC=22. Staggered arrangement were tested for inflow angles between 90° and 35°. The experiments yielded substantial rig forces, which introduces uncertainty to the measurements. Consequently, significant attention was dedicated to synchronizing and subtracting the empty rig from the measurements. This enabled the isolation and acquisition of hydrodynamic damping and added mass forces exclusively attributed to the cylinders.

Numerical simulations have been performed on the same experimental cases to extract added mass coefficients from the potential flow solver. These coefficients are compared to their experimental counterparts, along with features from strip theory and DNV-RP-C205. Additionally, they were used in a modified KC dependent Morison inertial term to evaluate the applicability of the potential flow solver and to compare this inertial force with the experimental added mass forces.

These efforts showed clear KC number, inflow angle, and spacing ratio dependencies on the forces. The nondimensionalized results seemed largely independent of cylinder lengths when in tandem, with slightly more scatter for the smallest lengths. Unlike tandem configuration, staggered configuration showed a dependency on cylinder length and large stochasticity for higher frequencies. A load formulation based on a rewritten and nondimensionalized Morison equation with KC dependency was proposed. This model incorporates the simplified velocity reduction proposed by Kristiansen, but implements a continuous sine function on each half-cycle instead of a constant velocity reduction factor. While capturing the essence of the 2ω difference force, the model underestimates the reduced peaks. Furthermore, experimental results are compared with Hals' CFD results, providing recommendations to improve simulation strategies and enhance compatibility with the experiments.

Further investigations are needed to develop an accurate load formulation, warranting additional experiments and CFD simulations.