Vortex induced vibration on oscillating bodies

This thesis presents an experimental and numerical analysis of a fluid-structure interaction phenomenon: the vortex induced vibration on oscillating bluff bodies. A cylinder and a beam-supported sphere are considered, the first one is a rigid body with one degree of freedom while the second one is a rigid sphere attached to a deformable beam with two degree of freedom. This work proposes, initially, an experimental-numerical investigation of the main flow field characteristics and pressure field analysis around a freely oscillating rigid circular cylinder immersed in a high Reynolds number flow in the subcritical range. The cylinder is characterized by high value of mass ratio and mass damping, while the damping itself is quite low. Here the numerical results are compared with experimental data obtained in the Politecnico di Milano wind tunnel under the same fluid dynamic and mechanical conditions. Unsteady RANS analyses on a rigid body with one degree of freedom are performed. The preliminary check of this numerical setup is provided by considering the case of a fixed cylinder in the subcritical region. Based on this benchmark, the full setup is checked by considering fluid dynamic conditions outside the lock-in region. Finally, a number of points are investigated on the cylinder’s steady state response curve in the lock-in region. The numerical model yields good results in terms of cylinder amplitude response, aerodynamic forces and pressure field analysis, in agreement with the results of the experiment. Analysis of the numerical reconstruction of the flow field evolution is therefore considered to yield further information on the vortex shedding mode, especially in the transition region between 2S and 2P mode. Then, starting from the previous case, a two degree of freedom system involving a deformable structure is considered. Coupled phenomena require co-simulation technique in which CFD software is coupled with a structural one in order to simulate complex FSI phenomena with a partitioned approach. The beam supported sphere deals with the application of the Co-Simulation technique to the case of the vortex-induced vibrations (VIV) of a beam supported sphere in a free surface flow, experimentally investigated. Nonetheless, several difficulties may arise in the choice of the partitioning scheme and of the algorithmic details for the step-by-step time integration. This problem seems quite absent from literature so far. In this thesis, the computational issues are thoroughly investigated and the model is validated by comparison with the experimental data. The system is analyzed in still water to set-up and validates the model. Then uniform flow conditions are tested to experience vortex induced vibration of the oscillating sphere. Finally a possible application for energy harnessing purpose is proposed. Exploiting the transverse movement of the sphere with a linear generator inside the sphere itself is possible to harness energy. A scale-lab model is designed in order to maximize the power output of the generator used and experimental tests are performed to measure the dynamic behavior and the output power of the linear generator.

Questa tesi presenta l’analisi numerico-sperimentale di un fenomeno di interazione fluido-struttura: le vibrazioni indotte da distacco di vortici su corpi oscillanti. In particolare, si sono studiati un cilindro oscillante a un grado di libertà e una sfera oscillante incastrata su un’asta deformabile con due gradi di libertà. Nella prima parte dello studio si è considerato il caso del cilindro oscillante ad un alto numero di Reynolds in regime subcritico. Il cilindro è caratterizzato da un alto valore di mass ratio e mass damping, mentre lo smorzamento strutturale è piuttosto basso. Le analisi hanno riguardato lo studio delle principali caratteristiche del flusso e il comportamento dinamico del sistema e, in parallelo, sono state sviluppate analisi numeriche con l’utilizzo di simulazioni RANS non stazionarie sul corpo rigido. Inizialmente il modello è stato validato a partire dal caso del cilindro fisso e quindi, successivamente, è stato possibile riprodurre la dinamica del sistema all’interno del campo di sincronismo. Dal momento che il modello numerico presenta buoni risultati in accordo alle prove sperimentali, è stato possibile proporre l’analisi del campo di vorticità in scia al cilindro, di modo da identificare le corrette modalità di distacco dei vortici, in particolare zona di transizione tra la modalità di distacco 2S e 2P. In seguito, a partire dal modello sviluppato, è stato affrontato il caso della sfera oscillante incastrata ad un’asta deformabile. Sono state effettuate prove sperimentali sul modello con l’interesse di fornire dati per la validazione del modello numerico. Oltre a presentare due gradi di libertà, questo problema è fortemente accoppiato e l’interazione tra fluido e struttura va affrontata con un metodo partizionato. Per questo motivo è risultata necessaria la tecnica della cosimulazione: un software strutturale viene accoppiato a uno fluidodinamico. Durante l’accoppiamento dei software possono emergere diverse problematiche per via del grado di accoppiamento dei due fenomeni. Una volta trovato il set-up adeguato, il sistema è stato validato su oscillazioni della sfera in acqua ferma confrontando i valori di frequenza naturale e smorzamento. Successivamente sono state riprodotte le prove in corrente uniforme. Da ultimo, a partire dall’esperienza della sfera, viene qui proposto un dispositivo per il recupero di energia. Infatti, l’oscillazione in direzione trasversale al flusso può essere sfruttata per il recupero di energia inserendo un generatore lineare dentro la sfera. Si sono, quindi, effettuate prove sperimentali su un modello a un grado di libertà a scala di laboratorio, ai fini della caratterizzazione dinamica del sistema e per misurare le potenze estratte.