There is a need to investigate and improve upon existing methods to predict response of sensors due to flow-induced vibrations in a pipe flow. The aim was to develop a tool which would enable an engineer to quickly evaluate the suitability of a particular design for a certain pipe flow application, without sacrificing fidelity. The primary methods, found in guides published by the American Society of Mechanical Engineers (ASME), of simple response prediction of sensors were found to be lacking in several key areas, which prompted development of the tool described herein. A particular limitation of the existing guidelines deals with complex stochastic stationary and non-stationary modeling and required much further study, therefore providing direction for the second portion of this body of work. A tool for response prediction of fluid-induced vibrations of sensors was developed which allowed for analysis of low aspect ratio sensors. Results from the tool were compared to experimental lift and drag data, recorded for a range of flow velocities. The model was found to perform well over the majority of the velocity range showing superiority in prediction of response as compared to ASME guidelines. The tool was then applied to a design problem given by an industrial partner, showing several of their designs to be inadequate for the proposed flow regime. This immediate identification of unsuitable designs no doubt saved significant time in the product development process. Work to investigate stochastic modeling in structural dynamics was undertaken to understand the reasons for the limitations found in fluid-structure interaction models. A particular weakness, non-stationary forcing, was found to be the most lacking in terms of use in the design stage of structures. A method was developed using the Karhunen Loeve expansion as its base to close the gap between prohibitively simple (stationary only) models and those which require too much computation time. Models were developed from SDOF through continuous systems and shown to perform well at each stage. Further work is needed in this area to bring this work full circle such that the lessons learned can improve design level turbulent response calculations. / Ph. D.

Thesis (MScEng)-- Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: The Council for Scientific and Industrial Research has developed a vibration excitation system. The system is designed to excite the rotor blades of an axial compressor in the specified vibration mode and at the specified frequency. The vibration excitation system was tested on Stellenbosch University’s Rofanco compressor test bench. A two-way staggered fluid-structure interaction (FSI) model was created that was capable of simulating the vibration of the rotor blades excited by the system. The results of the FSI model were verified using available experimental data. It was concluded that the FSI model is able to recreate the vibration excited by the system to within the desired level of accuracy. In addition, the results of the FSI model showed that the vibration excitation system should be able to excite the blades in the selected vibration mode and at the selected frequency provided that the excitation frequency is close the natural frequency of the first bending mode. The results also suggested that a transient computational fluid dynamics model should be sufficient for the prediction of the aerodynamic forces acting on the rotor blades. Furthermore, a one-way staggered FSI model should be adequate for calculating the motions of the blades. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Wetenskaplike en Nywerheidnavorsingsraad het ’n vibrasie-opwekkingstelsel ontwerp om die rotorlemme van ’n aksiaalvloei kompressor in die gespesifiseerde vibrasiemodus en teen die gespesifiseerde frekwensie op te wek. Die vibrasieopwekkingstelsel is met behulp van die Universiteit Stellenbosch se Rofanco kompressortoetsbank getoets. Daarna is ’n tweerigting vloeistof-struktuur-interaksie model geskep om die vibrasie van die rotorlemme, wat deur die stelsel opgewek is, te simuleer. Beskikbare eksperimentele data is gebruik om die resultate van die vloeistof-struktuur-interaksie model te bevestig. Die gevolgtrekking is gemaak dat die model wél die vibrasie van die lemme met die nodige akkuraatheid kan simuleer. Die resultate van die vloeistof-struktuur-interaksie model toon ook dat die stelsel die lemme in die gekose vibrasiemodus en teen die gekose frekwensie behoort te kan opwek, solank die opwekkingsfrekwensie na aan die natuurlike frekwensie van die eerste buigmodus is. Voorts dui die resultate daarop dat ’n berekeningsvloeimeganika model die aërodinamiese laste van die lemme sal kan voorspel. ’n Eenrigting vloeistof-struktuur-interaksie model behoort voldoende te wees om die beweging van die rotorlemme te bereken.

O problema das vibrações induzidas por vórtices em cilindros flexíveis inclinados em relação ao perfil de correnteza incidente é estudado através de uma abordagem experimental. Este tema se mostra de grande importância e aplicação na Engenharia Naval e Oceânica uma vez que são diversas as estruturas que se encaixam nesta descrição, como são o casos dos risers e linhas de amarração. Apesar de extensa, a literatura técnica especializada no assunto é focada em simplificações, tais como os estudos de cilindros rígidos fixos, cilindros rígidos montados em base elástica e cilindros flexíveis verticais ou lançados em catenária livre. A questão da inclinação é abordada em termos do Principio da Independência que diz que as forças e a frequência de emissão de vórtices em um cilindro inclinado são iguais as de um cilindro vertical se considerada apenas a parcela da correnteza normal à direção de inclinação. Estudos anteriores mostraram que este princípio é válido somente em algumas condições específicas e poucos deles apresentam resultados para cilindros flexíveis. Com base nisso, um ensaio em escala reduzida em tanque de reboque foi realizado com um modelo de linha composto por um tubo de silicone preenchido com microesferas de aço e condições de contorno articuladas em suas extremidades, o que conferiu características inerciais e geométricas ideais para a obtenção do fenômeno. Além da configuração vertical (? = 0°), que é o caso de referência, o modelo foi estudado em outras quatro inclinações com a vertical: ? = 10°, 20°, 30° e 45°. Estas inclinações foram ensaiadas para cinco diferentes azimute: ? = 0°, 45°, 90°, 135° e 180°, resultando em vinte e uma configurações de inclinação. Os resultados são analisados em termos da decomposição modal da vibração da linha, ou seja, são apresentadas amplitudes e frequências de oscilação ocorridas em cada um dos modos de vibrar. Além disso são realizadas análises espectrais, gráficos de evolução espaço-temporal, trajetórias de pontos ao longo do modelo flexível, entre outros. Frequências naturais, coeficientes de amortecimento e trações no topo são apresentados, complementarmente, como resultados de caracterização do modelo. Os estudos apontaram para uma validade do PI com algumas ressalvas, principalmente influenciadas pela diferença nas frequências do primeiro e segundo modo que é crescente com o aumento da inclinação. Além disso conclusões importantes sobre a coexistência modal, em regiões de ressonância e/ou de transição da dominância modal, foram obtidas. / The vortex-induced vibration problem in flexible cylinders yawed in relation to the incident current profile is studied through an experimental approach. This topic has great importance and application on Naval and Oceanic Engineering once there are multiple structures that fit into this description, such as risers and mooring lines. Though extensive, technical literature specialized on this topic is focused on simplifications such as the study of fixed rigid cylinders, elastic base rigid cylinders and flexible cylinders assembled vertically or launched in free hanging catenary. The inclination issue is addressed in the terms of the Principle of Independence which states that the forces and frequency shedding in an inclined cylinder are equal to those of a vertical cylinder if only considered the current component normal to the inclination plane. Previous studies showed that this principle is valid only on some specific conditions and few of them showed results to flexible systems. Based on this, a scaled tow tank test was performed with a line model composed of a silicone tube filled with steel microspheres and articulated end conditions, which offered the ideal inertial and geometrical conditions to obtaining the phenomenon. Besides the vertical configuration (? = 0°), which is the reference case, the model was studied in other four inclinations with the vertical: ? = 10°,20°, 30° and 45°. These inclinations were tested for five different azimuth directions: ? = 0°, 45°, 90°, 135° and 180°, resulting in 21 configurations. The results are analyzed on terms of the modal decomposition of the line motions, that is, amplitudes and oscillation frequencies are presented for each one of the vibration modes. Furthermore other analyzes are made, as spectral graphs, spatio-temporal evolution graphs, line points trajectories, among others. Natural frequencies, damping coefficients and tensions at the top are presented, complementarly, as results of the model characterization. The studies pointed to a validity of the IP with some reservations, mainly influenced by the difference in of the first and second mode frequencies that is increasing with the yaw increase. In addition, important conclusions about modal coexistence in regions of resonance and / or transition of modal dominance were obtained.

O objetivo deste projeto de mestrado é estudar o escoamento bidimensional ao redor de um cilindro isolado oscilando forçadamente e apoiado em base elástica através de simulações computacionais utilizando o Método de Elementos Espectrais. Este tópico suscita grande interesse no meio tecnológico, pois esta configuração aparece com bastante freqüência em estruturas marítimas, como os \"risers\" de produção e umbilicais de plataformas de exploração de petróleo, e também no meio acadêmico, uma vez que se trata do estudo de fenômenos complexos originados do escoamento ao redor de uma geometria simples: cilindro circular. A pesquisa tem seu principal enfoque na avaliação da utilização do método espectral de elementos finitos para solução do escoamento bidimensional no limite do regime de esteira laminar, Re < ou = 200 , ao redor de um cilindro oscilando forçadamente e apoiado em base elástica. As simulações do escoamento ao redor de um cilindro oscilando forçadamente são realizadas com duas amplitudes de oscilação do cilindro: 0.15D e 0.40D . Para cada amplitude são utilizadas dez freqüências de oscilação: 0.8 s f , 0.85 s f , 0.9 s f , 0.95 s f , 0.975 s f , 0.9875 s f , 1.025 s f , 1.05 s f , 1.075 s f e 1.1 s f ; onde D é o diâmetro do cilindro e s f é a freqüência de desprendimento de vórtices para cilindro fixo. O objetivo destas simulações é a tentativa de observação do fenômeno da mudança brusca do ângulo de fase entre a força transversal à direção da corrente e o deslocamento do cilindro, \"phase-jump\", obtendo, deste modo, uma base para comparação com trabalhos já existentes sobre o mesmo tema, avaliando o método numérico utilizado para o caso do escoamento ao redor de um cilindro oscilando. As simulações do escoamento ao redor de um cilindro apoiado em base elástica (livre para oscilar) foram feitas com apenas um grau de liberdade: a direção transversal ao escoamento incidente (eixo y no caso estudado). O resultado mais importante deste tipo de configuração, do ponto de vista prático (projetos de \"risers\", e outras estruturas cilíndricas), é a curva max A / D versus r V , isto, devido à dependência da vida útil destas estruturas à máxima amplitude de oscilação. Para reproduzir a curva max A / D versus r V , foram escolhidos os seguintes valores de velocidade reduzida: 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, e 10.0. / The goal of this work is to study through numerical simulations using the Spectral Elements Method the two-dimensional the flow past a single circular cylinder that is either in simple harmonic cross-flow oscillation or elastically mounted. This is a very important topic for the technological environment because this configuration is identical to offshore structures, like risers of oil production platform and is also important to scientific environment due to the study of complex phenomena originated from the flow past a very simple geometry: a circular cylinder. The focus of this research is to evaluate the use of Spectral Element Method for solution of two-dimensional flow past a circular cylinder that is either in simple harmonic cross-flow oscillation or elastically mounted, at the laminar wake limit, Re < or = 200 . Two oscillation amplitudes were employed for the forced oscillations simulations: 0.15D e 0.40D . And, for each amplitude, were selected ten frequencies: 0.8 s f , 0.85 s f , 0.9 s f , 0.95 s f , 0.975 s f , 0.9875 s f , 1.025 s f , 1.05 s f , 1.075 s f e 1.1 s f ; where D is the cylinder diameter and s f is the vortex shedding frequency. The phase jump phenomenon, e.g., the fast change of phase angle, is observed and compared with existents works evaluating the Spectral Elements Method for forced oscillations cases. In the elastically mounted simulations the most important result, for the practical point of view (risers design), is the max A / D x r V curve, e.g., maximum amplitude versus velocity ratio, due to the relation of risers lifetime with maximum oscillation amplitude. To build the max A / D x r V curve were selected the follow values of velocity ratio: 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, e 10.0.

No description available.

No description available.

Fluid-structure interaction (FSI) is an important physical phenomenon in many applications and across various disciplines including aerospace, civil and bio-engineering. In civil engineering, applications include the design of wind turbines, pipelines, suspension bridges and offshore platforms. Ocean structures such as drilling risers, mooring lines, cables, undersea piping and tension-leg platforms can be subject to strong ocean currents, and such structures may suffer from Vortex-Induced Vibrations (VIV's), where vortex shedding of the flow interacts with the structural properties, leading to large amplitude vibrations in both in-line and cross-flow directions. Over the past years, many experimental and numerical studies have been conducted to comprehend the underlying physical mechanisms. However, to date there is still limited understanding of the effect of oscillatory interactions between fluid flow and structural behavior though such interactions can cause large deformations. This research proposes a mathematical framework to accurately predict FSI for elastically supported rigid structures. The numerical method developed solves the Navier-Stokes (NS) equations for the fluid and the Equation of Motion (EOM) for the structure. The proposed method employs Finite Differences (FD) on Cartesian grids together with an improved, efficient and oscillation-free Immersed Boundary Method (IBM), the accuracy of which is verified for several test cases of increasing complexity. A variety of two and three dimensional FSI simulations are performed to demonstrate the accuracy and applicability of the method. In particular, forced and a free vibration of a rigid cylinder including Vortex-Induced Vibration (VIV) of an elastically supported cylinder are presented and compared with reference simulations and experiments. Then, the interference between two cylinders in tandem arrangement at two different spacing is investigated. In terms of VIV, three different scenarios were studied for each cylinder arrangement to compare resonance regime to a single cylinder. Finally, the IBM is implemented into a three-dimensional Large-Eddy Simulation (LES) method and two high Reynolds number (Re) flows are studied for a stationary and transversely oscillating cylinder. The robustness, accuracy and applicability of the method for high Re number flow is demonstrated by comparing the turbulence statistics of the two cases and discussing differences in the mean and instantaneous flows.

O problema das vibrações induzidas por vórtices em cilindros flexíveis inclinados em relação ao perfil de correnteza incidente é estudado através de uma abordagem experimental. Este tema se mostra de grande importância e aplicação na Engenharia Naval e Oceânica uma vez que são diversas as estruturas que se encaixam nesta descrição, como são o casos dos risers e linhas de amarração. Apesar de extensa, a literatura técnica especializada no assunto é focada em simplificações, tais como os estudos de cilindros rígidos fixos, cilindros rígidos montados em base elástica e cilindros flexíveis verticais ou lançados em catenária livre. A questão da inclinação é abordada em termos do Principio da Independência que diz que as forças e a frequência de emissão de vórtices em um cilindro inclinado são iguais as de um cilindro vertical se considerada apenas a parcela da correnteza normal à direção de inclinação. Estudos anteriores mostraram que este princípio é válido somente em algumas condições específicas e poucos deles apresentam resultados para cilindros flexíveis. Com base nisso, um ensaio em escala reduzida em tanque de reboque foi realizado com um modelo de linha composto por um tubo de silicone preenchido com microesferas de aço e condições de contorno articuladas em suas extremidades, o que conferiu características inerciais e geométricas ideais para a obtenção do fenômeno. Além da configuração vertical (? = 0°), que é o caso de referência, o modelo foi estudado em outras quatro inclinações com a vertical: ? = 10°, 20°, 30° e 45°. Estas inclinações foram ensaiadas para cinco diferentes azimute: ? = 0°, 45°, 90°, 135° e 180°, resultando em vinte e uma configurações de inclinação. Os resultados são analisados em termos da decomposição modal da vibração da linha, ou seja, são apresentadas amplitudes e frequências de oscilação ocorridas em cada um dos modos de vibrar. Além disso são realizadas análises espectrais, gráficos de evolução espaço-temporal, trajetórias de pontos ao longo do modelo flexível, entre outros. Frequências naturais, coeficientes de amortecimento e trações no topo são apresentados, complementarmente, como resultados de caracterização do modelo. Os estudos apontaram para uma validade do PI com algumas ressalvas, principalmente influenciadas pela diferença nas frequências do primeiro e segundo modo que é crescente com o aumento da inclinação. Além disso conclusões importantes sobre a coexistência modal, em regiões de ressonância e/ou de transição da dominância modal, foram obtidas. / The vortex-induced vibration problem in flexible cylinders yawed in relation to the incident current profile is studied through an experimental approach. This topic has great importance and application on Naval and Oceanic Engineering once there are multiple structures that fit into this description, such as risers and mooring lines. Though extensive, technical literature specialized on this topic is focused on simplifications such as the study of fixed rigid cylinders, elastic base rigid cylinders and flexible cylinders assembled vertically or launched in free hanging catenary. The inclination issue is addressed in the terms of the Principle of Independence which states that the forces and frequency shedding in an inclined cylinder are equal to those of a vertical cylinder if only considered the current component normal to the inclination plane. Previous studies showed that this principle is valid only on some specific conditions and few of them showed results to flexible systems. Based on this, a scaled tow tank test was performed with a line model composed of a silicone tube filled with steel microspheres and articulated end conditions, which offered the ideal inertial and geometrical conditions to obtaining the phenomenon. Besides the vertical configuration (? = 0°), which is the reference case, the model was studied in other four inclinations with the vertical: ? = 10°,20°, 30° and 45°. These inclinations were tested for five different azimuth directions: ? = 0°, 45°, 90°, 135° and 180°, resulting in 21 configurations. The results are analyzed on terms of the modal decomposition of the line motions, that is, amplitudes and oscillation frequencies are presented for each one of the vibration modes. Furthermore other analyzes are made, as spectral graphs, spatio-temporal evolution graphs, line points trajectories, among others. Natural frequencies, damping coefficients and tensions at the top are presented, complementarly, as results of the model characterization. The studies pointed to a validity of the IP with some reservations, mainly influenced by the difference in of the first and second mode frequencies that is increasing with the yaw increase. In addition, important conclusions about modal coexistence in regions of resonance and / or transition of modal dominance were obtained.

O objetivo deste projeto de mestrado é estudar o escoamento bidimensional ao redor de um cilindro isolado oscilando forçadamente e apoiado em base elástica através de simulações computacionais utilizando o Método de Elementos Espectrais. Este tópico suscita grande interesse no meio tecnológico, pois esta configuração aparece com bastante freqüência em estruturas marítimas, como os \"risers\" de produção e umbilicais de plataformas de exploração de petróleo, e também no meio acadêmico, uma vez que se trata do estudo de fenômenos complexos originados do escoamento ao redor de uma geometria simples: cilindro circular. A pesquisa tem seu principal enfoque na avaliação da utilização do método espectral de elementos finitos para solução do escoamento bidimensional no limite do regime de esteira laminar, Re < ou = 200 , ao redor de um cilindro oscilando forçadamente e apoiado em base elástica. As simulações do escoamento ao redor de um cilindro oscilando forçadamente são realizadas com duas amplitudes de oscilação do cilindro: 0.15D e 0.40D . Para cada amplitude são utilizadas dez freqüências de oscilação: 0.8 s f , 0.85 s f , 0.9 s f , 0.95 s f , 0.975 s f , 0.9875 s f , 1.025 s f , 1.05 s f , 1.075 s f e 1.1 s f ; onde D é o diâmetro do cilindro e s f é a freqüência de desprendimento de vórtices para cilindro fixo. O objetivo destas simulações é a tentativa de observação do fenômeno da mudança brusca do ângulo de fase entre a força transversal à direção da corrente e o deslocamento do cilindro, \"phase-jump\", obtendo, deste modo, uma base para comparação com trabalhos já existentes sobre o mesmo tema, avaliando o método numérico utilizado para o caso do escoamento ao redor de um cilindro oscilando. As simulações do escoamento ao redor de um cilindro apoiado em base elástica (livre para oscilar) foram feitas com apenas um grau de liberdade: a direção transversal ao escoamento incidente (eixo y no caso estudado). O resultado mais importante deste tipo de configuração, do ponto de vista prático (projetos de \"risers\", e outras estruturas cilíndricas), é a curva max A / D versus r V , isto, devido à dependência da vida útil destas estruturas à máxima amplitude de oscilação. Para reproduzir a curva max A / D versus r V , foram escolhidos os seguintes valores de velocidade reduzida: 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, e 10.0. / The goal of this work is to study through numerical simulations using the Spectral Elements Method the two-dimensional the flow past a single circular cylinder that is either in simple harmonic cross-flow oscillation or elastically mounted. This is a very important topic for the technological environment because this configuration is identical to offshore structures, like risers of oil production platform and is also important to scientific environment due to the study of complex phenomena originated from the flow past a very simple geometry: a circular cylinder. The focus of this research is to evaluate the use of Spectral Element Method for solution of two-dimensional flow past a circular cylinder that is either in simple harmonic cross-flow oscillation or elastically mounted, at the laminar wake limit, Re < or = 200 . Two oscillation amplitudes were employed for the forced oscillations simulations: 0.15D e 0.40D . And, for each amplitude, were selected ten frequencies: 0.8 s f , 0.85 s f , 0.9 s f , 0.95 s f , 0.975 s f , 0.9875 s f , 1.025 s f , 1.05 s f , 1.075 s f e 1.1 s f ; where D is the cylinder diameter and s f is the vortex shedding frequency. The phase jump phenomenon, e.g., the fast change of phase angle, is observed and compared with existents works evaluating the Spectral Elements Method for forced oscillations cases. In the elastically mounted simulations the most important result, for the practical point of view (risers design), is the max A / D x r V curve, e.g., maximum amplitude versus velocity ratio, due to the relation of risers lifetime with maximum oscillation amplitude. To build the max A / D x r V curve were selected the follow values of velocity ratio: 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, e 10.0.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第25248号 / 工博第5207号 / 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 / (主査)教授 八木 知己, 教授 杉浦 邦征, 教授 高橋 良和 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM