L'interazione fluido-struttura per bassi numeri di Reynolds : analisi numeriche

The aim of this dissertation is to analyze the performance of a numerical procedure for studying fluid-structure interaction problems. A classical problem of fluid dynamics has been considered, i.e. vortex shedding on a circular cylinder. Three conditions have been tested: • fixed cylinder; • forced oscillations in the cross-flow direction; • vortex-induced vibrations. The case of fixed cylinder has been treated considering different Reynolds numbers. The results of the analysis in the case of turbulent flow have been shown to be unsatisfactory. As a consequence it was decided to perform fluid-structure interaction’s analysis considering laminar flow only. The aim is to understand if the coupling procedure implemented creates further problems on performing analysis. Simulations have been subsequently performed with forced oscillations characterized by frequency ratio and by nondimensional amplitude. Lock-in zone has been characterized along with the effects of cylinder oscillation on the interaction forces. A last batch of simulations involving free vibrations of an elastically mounted cylinder is finally carried out. The lock-in zone and the maximum transversal displacement considering different Scruton numbers have been defined. For low Reynolds numbers a good agreement has been detected between the results of the analysis performed and literature’s results. As a final remark it can be commented that performing fluid-structure analysis do not create any further problems in modeling. The main issue of fluid-structural interaction seems to be, in all cases, the modeling of turbulent flow.

Lo scopo del presente lavoro è l’analisi delle prestazioni di una procedura numerica per lo studio di problemi di interazione fluido-struttura. A tal fine si è considerato un problema classico della fluidodinamica: il fenomeno di distacco di vortici da un cilindro di sezione circolare. Sono state modellate le condizioni di cilindro fisso, di cilindro soggetto a moto imposto in direzione trasversale rispetto al flusso e di cilindro libero di oscillare sotto l’azione di una forza di richiamo elastico. La condizione di cilindro fisso è stata studiata al variare del numero di Reynolds. Si è riscontrato un limite nella capacità del software di modellare flussi turbolenti. Di conseguenza si è scelto di proseguire nelle analisi di interazione fluido-struttura in condizioni di moto laminare, al fine di valutare se l’accoppiamento con il comportamento strutturale comportasse problemi aggiuntivi per la modellazione. È stato studiato il caso di cilindro soggetto a oscillazioni forzate al variare della frequenza e dell’ampiezza di oscillazione. Si è individuato il dominio di sincronismo e la variazione delle azioni sul cilindro per effetto della sua oscillazione. Infine si è considerato il caso di un oscillatore semplice, libero di vibrare sia in direzione del flusso che in direzione trasversale. Si sono ricavati la campana di sincronismo e lo spostamento massimo trasversale al variare del numero di Scruton. Il confronto con risultati di letteratura rivela che, per bassi numeri di Reynolds, il software permette una buona modellazione del problema di interazione fluido-struttura. In conclusione si è verificato che lo studio di fenomeni di interazione fluido-struttura non comporta problemi di modellazione aggiuntivi rispetto a quanto già si verifica nel caso di problemi fluidodinamici disaccoppiati. I limiti dell’analisi svolta sono da attribuire a una difficoltà nella modellazione della componente turbolenta del moto, problema aperto per la fluidodinamica computazionale.