Numeriske strømningsberegninger av strømning rundt steg-sylindriske konfigurasjoner

Abstract

Denne masteroppgaven presenterer litterære studier og numeriske undersøkelser av den tredimensjonale viskøse strømningen rundt sirkulære sylindere, og steg-sylindere. Den første delen av oppgaven gir en introduksjon til grunnleggende teori om viskøse strømmer og de grunnleggende konseptene ved strømning rundt sirkulære sylindere. Den neste delen av oppgaven inneholder et grundig litterært studie av den mest relevante forskningen om dette temaet. Videre blir det gitt en introduksjon til CFD og den numeriske grunnmuren i CFD-løsere. De faktiske simuleringene i denne oppgaven har blitt gjennomført i programvaren FINE/Marine. Geometri, domener og gridoppløsning har blitt gjennomført i HEXPRESS, den numeriske løsingen har blitt gjort i ISIS-løseren, og all prosessering av resultatene har blitt gjort i CFView. Alle de nevnte komponentene er en del av programvaren produsert av NUMECA. Hovedmålet med denne masteroppgaven er å undersøke strømningsutviklingen rundt sirkulære steg-sylindere av forskjellig lengde. En todimensjonal casestudie har blitt brukt som validering for å bli trygg på programvaren, og hvordan man bygger opp en god numerisk modell. Resultatene fra studie synliggjorde viktigheten av gridoppløsning, domene-størrelse og tidssteg-analyser. Konvergenstestene som ble gjennomført gav gode resultater, som igjen skapte et godt grunnlag for den numeriske modellen, spesielt med tanke på videreutviklingen til tredimensjonale geometrier.

Simuleringer ble gjennomført for tredimensjonale steg og to-steg-sylindere for Reynoldstall 150 og diameterforhold D/d =5. De første simuleringene for en 5D steg-sylinder viste liten effekt fra steget, og den korte sylinderlengden gjorde det vanskelig å se påvirkningen til steget i waken. Allikevel kunne man se de første tegnene på nedstrøm fra steget. For 10D og 15D steg-sylinderene var effekten fra steget mye tydeligere. Forstyrrelsene som ble skapt rundt steget skapte betydelig nedstrøm, og skrå avløsning kunne tydelig bli sett i waken bak den store sylinderen. Den fine meshen som ble påført rundt steget og i waken var tilstrekkelig for å få gode resultater. Strømningen i skjøten mellom den store og den lille sylinderen var tydelig roterende, og viste tegn som indikerte et tidlig stadie av skjøt-virvler og kant-virvler. I tillegg kunne man tydelig detektere virvlene som ble skapt i waken. Påvirkninggen fra steget ble målt til å strekke seg 10D inn i waken til den store sylinderen, et område som blir kalt for N-cell området. Av de mer interessante observasjonene for steg-sylinderen var den lange oscillerende drag koeffisient-frekvensen. Denne frekvensen var beskrivende for avkoblingsprosessen som skjedde for virvlene i waken. Utviklingen til denne avkoblingsprosessen ble grundig beskrevet, og resultatene var sammenlignbare med studiene gjennomført av (Tian et al., 2017a). Flere simuleringer ble gjennomført for to-steg sylindere, med en hensikt om å undersøke påvirkningen av forskjellige sylinderlengder for den store sylinderen. For 20D sylinderen ble den samme avkoblingsprosessen observert, som for 15D steg-sylinderen. Med bidrag fra både det øvre og det nedre steget endret L-cell området seg mye i størrelse.

Videre, ble det observert såkalte hårnål-virvler observert i waken til den store sylinderen, med størst utbøying ved klimaks i avkoblingsprosessen. Da N-cell området ble målt til å være på sitt lengste (rundt 10D), forsvant nesten hele L-cell området. Simuleringer for 30D to-steg sylinderen viste at N-cell området nådde en maks lengde på 11D fra begge sider, og at L-cell området da ble rundt 7D. En ytterligere interessant observasjon som ble gjort for 30D sylinderen var horisontale strømnings-fingre som strakk seg ut i interaksjonsområdet mellom N-cell og L-cell området. Disse virvlene kunne minne om modene som tidligere ble beskrevet av (Gerrard, 1978).

This master thesis presents the research and numerical investigations on the topic of viscous flow around circular cylinders, and step cylinders. The first part of the thesis works as an introduction to the theory of viscous fluid flows and the main concepts behind flow around circular cylinders. The next part of the thesis involves a literature review presenting the most relevant research and findings from studies performed for the main topics of this thesis. Moreover, an introduction to computational fluid dynamics is given, as well as the theory behind the numerical framework of CFD-solvers. The actual simulations in this thesis were performed in the CFD-software FINE/Marine. Geometry, computational domain and mesh configuration is performed in HEXPRESS, the numerical solving is performed with the ISIS-CFD solver, and the post-processing is performed in CFView. All mentioned components are a part of the software designed by NUMECA. The main objective of the thesis is to explore the flow development around circular step cylinders of different lengths. An initial two-dimensional validation case was performed in order to gain more confidence in the software and the numerical framework of FINE/Marine. The results from the case study showed the importance of grid refinement, computational domain setup, and time step analysis. Solution convergence studies gave satisfactory results, which created the important foundation of the simulation model, with the transition to three-dimensional geometries.

Simulations were then performed for three-dimensional single step and dual step cylinders at Reynolds number 150 and diameter ratio D/d = 5. The initial simulations for the 5D step cylinder showed little effect of the step, as the spanwise length was to small to capture the full development in the wake. However, first signs of downwash from the step were visible. For the 10 and 15D step cylinders, the effect of the step was very visible. The disturbance from the step created significant downwash, and oblique shedding was clearly visible in the wake behind the large step. The fine mesh that was applied in the region around the step and in the wake of the cylinders gave satisfactory results. The flow in the junction between the large and the small cylinder was visually rotational, and in agreement with the early stages of junction and edge vortex formation. In addition, the vortex structures in the wake were captured well with the lamda-2 vortex detection. The influence of the step was measured to extend as far as 10D into the wake of the large cylinder, also referred to as the N-cell region. Of the more interesting observations made for the 15D step cylinder simulations was the long oscillating drag coefficient frequency that described the vortex dislocation process. The development of the dislocation process was thoroughly described, with results comparable to the important study of (Tian et al., 2017a).

More simulations were conducted for dual step cylinders, with the intent of investigating the influence of different spanwise lengths of the large cylinder. For the 20D cylinder the same vortex dislocation process was observed as for the 15D single step cylinder. With i the contribution from both the upper and the lower step, the L-cell region changed much in size. Moreover, so-called hairpin vortices could be observed in the wake of the large cylinder, with maximum deflection at the ”climax” of the dislocation process. As the Ncell region was measured to be approximately 10D at the longest, the L-cell region almost disappeared for the 20D cylinder. Simulations of a 30D dual step cylinder revealed that the N-cell region reached a maximum of 11D from both sides, and that the L-cell region now was 7D. An interesting observation made for the 30D simulations were the streamwise vortex fingers stretching out in the interaction between the N-cell and L-cell regions. The vortices showed resemblance to the modes first described by (Gerrard, 1978).