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

Abstract

Denne oppgaven tar for seg og undersøker hydrodynamiske krefter og vakeinteraksjonseffekter mellom sylindre i oscillerende strømning med stor amplitude, sett i en todimensjonal situasjon. Arbeidet er gjort gjennom både numeriske simuleringer og eksperiment. Parameterstudier på distanse-til-bredde forhold er gjort for både horisontal og vertikal retning. I tillegg er en skjevhetsanalyse gjennomført. Motivasjonen bak arbeidet er presentert, med en kort forklaring om de potensielt store innvirkningene det kan få, relatert til grønn energi og flytende soløyer. Et litteraturstudie er gjennomført, til tross for lite tilgjengelig relevant litteratur. De numeriske simuleringene er gjort med et allerede eksisterende numerisk verktøy for viskøs strømning. Flere ulike konfigurasjoner og forhold er testet og resultatene er presentert som harmoniske komponenter i de ulike kreftene og hydrodynamiske koeffisienter. Strømningsbilder er lagt ved for visualisering av fluidets oppførsel. En bekymring er at det numeriske verktøyet mangler turbulensmodell. Tilleggsresultater fra OpenFOAM er derfor brukt til sammenligning. Eksperimentene er gjennomført i Ladertanken på Marinteknisk Senter i Trondheim. Ladertanken er en smal bølgesjakt, med en installert aktuator som muliggjør undersøkelser av modeller i oscillerende bevegelse. En tilpasset rigg er designet for å muliggjøres to separate kraftmålinger. Differansekreftene mellom sylindrene kan derfor analyseres og sammenlignes med de numeriske resultatene. Syv forskjellige konfigurasjoner er testet for et sett av KC-tall. Som forventet var kreftene fra selve riggen store, noe som introduserte en betydelig usikkerhet i målingene. Gode målinger av riggen uten modell er derfor viktig for å minske denne usikkerheten. Disse målingene blir trukket ifra resultatene fra målingene med modell, for å kunne analysere de hydrodynamiske kreftene fra sylindrene alene. Hovedfokuset i oppgaven har vært på differansekraften mellom to eller flere sylindre, men kreftene på enkeltsylindre har også blitt inkludert. Både de numeriske simuleringene og de eksperimentelle resultatene viser interaksjoneffekter mellom sylindrene, med en stor differansekraft for økende KC-tall. Differansekraften er dominert av en andre harmoniske komponent. En positiv gjennomsnittsverdi er funnet, noe som betyr at en avstøtende kraft mellom sylindrene er til stede. Den andre harmoniske komponenten og gjennomsnittsverdien er forklart ved bruke en Morison-model med redusert hastighet under halve syklusen. Differansekraften viser høy sensitivitet til både vinkelen på innstrømningen og distanse til bredde-forholdet. Liten sensitivitet til skeivhet er funnet. Videre undersøkelser er nødvendige for å kunne lage en fornuftig lastmodell. Effekten av ulike geometrier og 3D-effekter vil også være viktige å undersøke. Likevel ser vi klare indikasjoner på interaksjonseffekter mellom sylindrene i oscillernde strømning med høy amplitude, noe som sterkt tyder på at dette ikke kan neglisjeres, og må tas hensyn til og undersøkes videre.

The present work investigates hydrodynamic forces and wake interaction effect between cylinders in large amplitude harmonic oscillatory flow in a two-dimensional setting. This is done through both numerical simulations and experiments. Parameter studies on distance to width ratios are done in both horizontal and vertical direction, as well as sensitivity studies on the effect of inflow angle. In addition, an offset analysis is conducted. The motivation behind the thesis is presented with a brief description of the potential large-scale impact related to green energy and offshore solar islands. A literature review is provided, despite sparse amount of literature on the topic being available. The numerical simulations are performed using an already existing viscous flow solver. Several configurations and conditions are tested, with the results being presented in terms of harmonic components for the difference force and forces on the cylinders alone, as well as the hydrodynamic coefficients. Stream plots are presented for visualization of the fluids behaviour. The lack of turbulence modeling in the numerical solver is a concern, and additional results from OpenFOAM are used for comparison. The experiments are conducted in Ladertanken at the Marine technology Center in Trondheim. Ladertanken is a narrow wave flume, with an actuator, enabling investigation of models in oscillatory motion. A custom rig is designed to enable two separate force measurements. The difference forces between the cylinders can therefore be analyzed and compared to the numerical results. Seven different model configurations are tested for a set of KC numbers. As expected, large rig forces were measured in the experiments, introducing a significant amount of uncertainty to the measurements. Accurate measurements of the empty rig were therefore a large focus. These measurements were subtracted from the model tests to acquire only the hydrodynamic forces from the cylinders. The main focus is on the difference forces between two or more cylinders, but forces on single cylinders have also been accounted for. Both the numerical simulations and experimental results show interaction effects, with a significant difference force as the KC number is increased. The difference force is shown to be dominated by a second harmonics component. A positive mean value is found, indicating a repellent force between the cylinder pairs. The second harmonics component and mean value are explained using a Morison model with reduced velocity. The difference force shows high sensitivity towards both the angle of inflow and the distance between the cylinders in tandem. Little sensitivity to small offsets is found. Further investigation is required to obtain rational load models and to see the effects of change in geometry or 3D effects, but clear indications of interaction effects between cylinders in large amplitude oscillatory flow are seen, and should be further studied and considered.