Submerged Floating Tunnel: Water-Structure Interaction

Abstract

Denne studien fokuserer på interaksjonen mellom vann og et nedsenket flytende rør i homogene og lagdelte strømmer, samt utvikling av formet av tyngdekraften. Det siste ble gjort for å sette opp og validere numerisk modell som behandler vanndannelsen riktig og på en beregningseffektiv måte. Første del av studien er dedikert til utvikling formet av tyngdekraften. Nettkonvergensstudie ble utført for simulering av todimensjonal tyngdekraftstrøm, som viste at optimale cellestørrelser for det aktuelle problemet er 5 mm og 2,5 mm. I tillegg ble modellen kalt Large-Eddy Simulation (LES) av turbulens testet, og ytelsen i simulering ble sammenlignet med ytelsen til simulering uten turbulensmodellering. Det ble slått fast at sistnevnte modell representerer en mer nøyaktig utvikling for to dimensjonsstrøm når drevet av tyngdekraft. Etter det ble gravitasjonsstrømutviklingen i tre dimensjoner utført med LES-modellering av turbulens og uten turbulensmodell. Begge simuleringene stemte godt overens med resultatene fra fysiske eksperimenter, derfor er LES-modellen et foretrukket valg da de er mindre krevende. I den andre delen av prosjektet ble en stiv, fast horisontal sylinder i væskestrøm vurdert for å undersøke krefter som virker på sylinderen. Først ble modell med homogen flyt satt opp og validert. Det ble slått fast at todimensjonal modell med cellestørrelse 2,5 mm og CFL-kriterium på 0,3 er et godt valg med tanke på balanse mellom nøyaktighet og beregningseffektivitet. Etter dette ble system av to sylindere med varierende avstand testet. Det ble konstatert at inline-kreftene for begge sylindere påvirkes, og påvirkningen på den andre sylinderen var større. Tredje del av studien er dedikert til horisontal sylinder i lagdelt flyt. Parametere av produserte indre bølger var i samsvar med resultatene av fysiske eksperimenter.

This study focuses on water-structure interaction of submerged floating tube in homogeneous and stratified flows, as well as gravity current development. The latter was done in order to set up and validate numerical model that treats water stratification properly and in a computationally efficient manner. First part of the study is dedicated to gravity current development. Grid convergence study was performed for simulation of two-dimensional gravity current, which showed that optimal cell sizes for the problem in question are 5 mm and 2.5 mm. In addition, Large-Eddy Simulation (LES) model of turbulence was tested, and its performance in simulation was compared to performance of simulation without any turbulence modelling. It was established that the latter represents gravity current development in two dimensions more accurately. After that, gravity current development in three dimensions was performed with LES modelling of turbulence and without any turbulence model. Both simulations were in good agreement with results of physical experiments, therefore LES model is a preferable choice as it is less computationally demanding. In second part of the project, rigidly fixed horizontal cylinder in flow was considered in order to investigate in-line forces, acting upon the cylinder. At first, model with homogeneous flow was set up and validated. It was established that two-dimensional model with cell size of 2.5 mm and CFL criterion of 0.3 is a good choice in terms of balance between accuracy and computational efficiency. After that, system of two cylinders with varying distance between them was tested. It was established that in-line forces for both cylinders are affected, with influence on the second cylinder being more stark. Third part of the study is dedicated to horizontal cylinder in stratified flow. Parameters of produced internal waves were in agreement with results of physical experiments.