An explorative study of the capability of CFD porous media model to catch fluid structure interaction in a rectangular cylinder with a porous covering

This thesis presents the validation of a simplified numerical model for analyzing the aeroelastic behavior of a rectangular section equipped with a Porous Double-Skin Façade. The system was reduced to a two-dimensional sectional model, and URANS simulations were employed as a turbulence model to investigate the fluid-structure interaction mechanisms responsible for Vortex-Induced Vibrations and their mitigation. Porosity was represented using the Darcy-Forchheimer formulation, which accounts for distributed pressure losses across a finite mesh region. The model was first validated in the rigid and free-to-vibrate configurations without porosity, reproducing with good accuracy literature benchmarks and experimental data. The porous layer was subsequently applied to carry out a parametric analysis across different porosity levels and damping ratios. Results show that porosity significantly modifies flow separation and the vortex shedding dynamics, leading to a reduction in lift fluctuations and vibration amplitudes, as well as a narrowing of the lock-in range. Despite the simplified approach, good agreement with experimental findings was maintained when applying porosity, making the framework a valuable and computationally efficient tool for exploring the aerodynamic response of such systems. Moreover, the model provides a basis for future three-dimensional studies aimed at optimizing the façade design for wind-induced vibration control in tall buildings.

Questa tesi presenta la validazione di un modello numerico semplificato per analizzare il comportamento aeroelastico di una sezione rettangolare equipaggiata con una facciata porosa a doppia pelle. Il sistema è stato ridotto a un modello sezionale bidimensionale, e le simulazioni URANS sono state adottate come modello di turbolenza per studiare il meccanismo di interazione fluido-struttura responsabile delle vibrazioni indotte da distacco di vortici e la loro mitigazione. La porosità è stata rappresentata utilizzando il modello di Darcy-Forchheimer, che considera le perdite di pressione distribuite su una regione finita di mesh. Il modello è stato inizialmente validato sulle configurazioni rigida e libera di oscillare senza porosità, riproducendo con buona accuratezza i riferimenti della letteratura e i dati sperimentali. Lo strato poroso è stato successivamente applicato per condurre un'analisi parametrica su diversi livelli di porosità e di smorzamento. I risultati mostrano che la porosità modifica significativamente la separazione del flusso e la dinamica di distacco di vortici, generando una riduzione nelle fluttuazioni di portanza e di ampiezza di vibrazioni, e un restringimento della regione di lock-in. Nonostante l'approccio semplificato, una buona concordanza è mantenuta con i dati sperimentali applicando la porosità, rendendo il modello uno strumento valido e computazionalmente efficiente per esplorare la risposta aerodinamica di questo tipo di sistema. Inoltre, il modello fornisce una base per futuri studi tridimensionali con lo scopo di ottimizzare la progettazione delle facciate per il controllo delle vibrazioni indotte dal vento su grattacieli.