Effect of permeable double skin facades on vortex induced vibrations in a high-rise building

Slender high-rise buildings are susceptible to vortex-induced vibrations (VIV), and permeable double-skin façades (PDSF) have been proposed as a passive means of mitigating them. This thesis examines the aerodynamic effect of such a façade on a rectangular prism of aspect ratio B/D = 3.33, a transitional section whose wake alternates between leading-edge shedding and intermittent shear-layer reattachment. The flow is modelled with two-dimensional Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) simulations using the k-omega SST closure in OpenFOAM, and the porous screen is represented by a Darcy-Forchheimer momentum sink characterised by a single pressure-loss coefficient k. The framework is validated against the canonical square and B/D = 5 prisms, and against wind-tunnel measurements of the same section: it reproduces the Strouhal number and wake topology accurately, while the absolute fluctuating forces retain the systematic two-dimensional bias, namely under-predicted mean drag and over-predicted lift fluctuations, expected from the neglect of spanwise decorrelation. The response is analysed through global force statistics, surface-pressure distributions, force spectra, and proper orthogonal decomposition (POD) of the wake. Imposed cross-flow oscillations of the naked prism reproduce the sub-critical, lock-in, and super-critical regimes and link modal coherence to aerodynamic amplification. A sweep of the pressure-loss coefficient on the rigid porous configuration shows that increasing k displaces the effective separation contour from the inner sharp edges towards the outer screen: the Strouhal number falls from St approximately 0.15 for the open, near-naked configuration towards St approximately 0.08 for the resistive, near-solid configuration, the fluctuating lift is progressively attenuated, and the leading wake mode loses spatial coherence. This behaviour maps onto an effective-elongation analogy, with k tuning the apparent slenderness of the prism, while a control-volume decomposition of the mean drag shows that the screen intercepts a growing share of the load and shields the inner structure. When motion is imposed on the porous configuration, lock-in is still established near resonance, but at reduced amplitude and spectral coherence. The porous layer, therefore, acts principally by weakening the intrinsic shear-layer instability and redistributing momentum, raising the threshold for spontaneous VIV onset rather than suppressing the synchronised state once it is established.

Gli edifici alti e snelli sono suscettibili alle vibrazioni indotte da vortici (VIV), e le facciate permeabili a doppia pelle (PDSF) sono state proposte come metodo passivo per mitigarle. Questa tesi esamina l’effetto aerodinamico di tale facciata su un prisma rettangolare con rapporto d’aspetto B/D = 3.33, una sezione di transizione il cui wake alterna distacco dal bordo d’attacco e riattacco intermittente dello strato di taglio. Il flusso è modellato mediante simulazioni bidimensionali Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS), utilizzando il modello di turbolenza k-omega SST in OpenFOAM, mentre lo schermo poroso è rappresentato tramite un termine di perdita di quantità di moto di Darcy-Forchheimer caratterizzato da un singolo coefficiente di perdita di pressione k. Il modello è validato rispetto ai casi canonici del prisma quadrato e del prisma con B/D = 5, nonché rispetto a misure sperimentali in galleria del vento per la stessa sezione: esso riproduce accuratamente il numero di Strouhal e la topologia della scia, mentre le forze fluttuanti assolute mantengono il bias sistematico tipico dell’approccio bidimensionale, ovvero una sottostima della resistenza media e una sovrastima delle fluttuazioni di portanza, dovute alla mancata rappresentazione della decorrelazione lungo l’apertura. La risposta è analizzata attraverso statistiche globali delle forze, distribuzioni di pressione superficiale, spettri delle forze e decomposizione ortogonale propria (POD) della scia. Oscillazioni imposte in direzione trasversale sul prisma non schermato riproducono i regimi subcritico, di lock-in e supercritico, collegando la coerenza modale all’amplificazione aerodinamica. Una variazione parametrica del coefficiente di perdita di pressione nella configurazione porosa rigida mostra che l’aumento di k sposta il contorno effettivo di separazione dagli spigoli interni verso lo schermo esterno: il numero di Strouhal diminuisce da St circa 0.15 per la configurazione aperta, quasi equivalente al prisma non schermato, fino a St circa 0.08 per la configurazione più resistiva, quasi solida; le fluttuazioni di portanza vengono progressivamente attenuate; e il modo dominante della scia perde coerenza spaziale. Questo comportamento può essere interpretato attraverso un’analogia di allungamento efficace, in cui k regola la snellezza apparente del prisma, mentre una decomposizione mediante volume di controllo della resistenza media mostra che lo schermo intercetta una quota crescente del carico e protegge la struttura interna. Quando il moto è imposto alla configurazione porosa, il lock-in si stabilisce ancora in prossimità della risonanza, ma con ampiezza e coerenza spettrale ridotte. Lo strato poroso agisce quindi principalmente indebolendo l’instabilità intrinseca dello strato di taglio e ridistribuendo la quantità di moto, innalzando la soglia di innesco spontaneo delle VIV piuttosto che sopprimendo lo stato sincronizzato una volta stabilito.