Numerisk simulering av en viskøs strømning rundt en krum sylinder i tverrstrøm

Abstract

Denne masteravhandlingen presenterer numeriske undersøkelser av den tredimensjonale viskøse strømningen rundt en rett sirkulær sylinder og en krum sirkulær sylinder i tverrstrøm. Simuleringer har blitt utarbeidet i programvaren FINE/Marine som utfører numeriske strømningsberegninger (CFD). Innledende simuleringer av en rett sylinder ble gjennomført for å få erfaring i bruken av FINE/Marine innen oppsett av slike strømningsproblemer, før simulering av mer komplekse geometrier kunne utføres. Hovedfokuset for denne avhandlingen har vært å gi foreløpige karakteriseringer av waken bak en krummet sirkulær sylinder i krysstrøm. Arbeidet inneholder anbefalinger for oppsett av denne type strømningsproblem, hvor det har blitt lagt vekt på valg av domene ved bruk av rette forlengelser til den buede sylinderen. Denne analysen representerer en av de første numeriske studiene som har blitt utført på en slik krum sylinder i tverrstrøm.

Simuleringene av en rett sylinder viste seg å gi resultater i tråd med tidligere forskning på feltet. Uniform innstrømning ved Re = 200 og 300 ble vurdert og avslørte det karakteristiske overgangsgangsregimet av waken som i litteraturen er kjent mode A og mode B. Sylinderlengder av 4D, 8D og 12D ble testet. Resultatene viste at en lengde på 12D er foretrukne valget blant de som ble utprøvd. Videre ble noen variasjoner i grid-konfigurasjoner diskutert. Gridoppløsningen i på langs av sylinderen ble spesifikt undersøkt, hvor selv den groveste blant de testede oppløsningene gav tredimensjonale strømnigsmønstre. Videre viste det seg at gridoppløsning av wake-området bak sylinderen er svært viktig for å fange de tredimensjonale strømningsformede virvelformasjoner, selv om kreftene som utøves på sylinderen ikke var nevneverdig følsomme for størrelsen på de anvendte gridstørrelsene. I tillegg inneholder rapporten noe diskusjon om valg av grensebetingelsers innvirking på strømningsmønsteret.

Den krumme sylinderkonfigurasjonen besto av en sylindrisk kvart ring (torus) med en krumningsradius på 12,5 m og en diameter på 1 m plassert i en innkommende strøm vinkelrett på krumningsaksen ved Re = 200 og 300. De samme karakteristiske overgangsregimene populært kalt mode A og modus B ble påvist i de respektive simuleringene også i disse simuleringene. Mode B var mer lett å framprovosere og dukket opp på en jevn og stabil måte, på samme måte som i simuleringene av en rett sylinder. Mode A viste seg å være vanskeligere å utløse. Det anbefales å utføre simuleringer med "forstyrrede" initialbetingelser for å få mode A til å oppstå. I tillegg viste det seg at waken i mode A innehar flere ustabile egenskaper i den krummede konfigurasjonen enn for den tilsvarende rette sylinderen. Hyppige dislokasjoner og varierende skrå virvelavløsning ble observert. En horisontal, rett forlengelse av henholdsvise lengder 8D og 16D ble inkludert i enkelte simuleringer. Bruken av slike rette forlengelser viste seg å undertrykke hyppigheten av forekomsten av dislokasjoner som oppstod under mode A. I tillegg ble de rette sylinderforlengelsene inndelt i deler på 1 m lengder for å overvåke kreftene som utøves på hver del individuelt. En noe forhøyet dragkraft ble målt på den krumme sylinderen i forhold til de rette forlengelsen. Dragkreftene på den buede sylinderen ser ut til å bli redusert dersom utvidelser blir brukt. Denne trenden var noe mer synlig ved anvendelse 16D-forlengelsen enn 8D-forlengelsen. Samtidig viser den krumme sylinderen seg å ha en generelt lavere virvelavløsningsfrekvens enn den rette forlengelsen. Ytterligere undersøkelser og lengre simuleringstider er nødvendig for å videre bekrefte de nevnte tendensene.

This master thesis presents numerical investigations of the three-dimensional viscous flow around a straight circular cylinder and a curved circular cylinder in cross-flow. Simulations have been prepared and executed in the Computational Fluid Dynamics (CFD) software FINE/Marine. Initial simulations of a straight cylinder were conducted in order to obtain experience in FINE/Marine with computational set-up of such flow problems, before performing simulations of more complex geometries. The main scope of the present thesis has been to provide preliminary characterizations of the transitional wake regime behind a curved circular cylinder in cross-flow. The work includes some recommendation for computational set-up for the present flow configuration, where emphasis has been on domain choice by application of straight extensions to the curved cylinder. The present analysis represent one of the first numerical studies that has been performed on this curved cylinder cross-flow configuration.

The straight cylinder simulations yielded results that were well in line with previous research on the field. Uniform inflow at Re = 200 and 300 is considered, revealing the characteristic transitional wake regimes of mode A and mode B within the respective simulations. Cylinder lengths of 4D, 8D and 12D were tested. The results showed that a spanwise length of 12D was clearly the preferred choice. Furthermore some variations in mesh configurations were discussed. The mesh resolution in the spanwise direction was found to successfully initiate three-dimensional flow features for even in the coarsest resolution that was adapted. The refinement level of the near wake region was found to be important in order to capture three-dimensional streamwise vortex formations, although the forces exerted to the cylinder were not sensitive to the size of the box refinements applied. Some discussion on choice of boundary conditions was provided.

The curved cylinder configuration consisted of a cylindrical quarter ring (torus) with a radius of curvature of 12.5 m and a diameter of 1 m subjected to an incoming flow perpendicular to the axis of curvature at Re = 200 and 300. The same distinctive transitional regimes of mode A and mode B were computed for the respective simulations also for this configuration. Mode B was more easy to initiate and appeared in a more uniform and stable manner, much like in the straight cylinder simulations. Mode A proved to be difficult to trigger. It is recommended to perform simulations with some perturbed initial conditions for this respective range of Reynolds numbers. Mode A vortex shedding also contained more features of instabilities in this curved cylinder cross-flow configuration, where frequent dislocations and changing patterns of oblique vortex shedding could be observed. A horizontal extension was provided in some of the simulations by application of spanwise lengths 8D and 16D respectively. The use of straight extension somewhat suppressed the amount of dislocations occurring during mode A. The extensions were also split into parts of 1 m lengths in order to monitor the forces exerted to the parts individually. An elevated drag force was measured on the curved cylinder compared to the straight extension. The drag forces on the curved body seemed to be reduced if extensions were enforced, more so by application of the 16D extension than the 8D extension. The curved cylinder also seem to have a lower vortex shedding frequency than the straight extension, which is believed to be connected to the occurrences of oblique vortex shedding. The described trends needs further investigation and longer simulation times to be further confirmed.