title: Experimental investigations on vortex-induced fluid-structure interaction benchmarks and corresponding numerical RANS predictions
title: Experimentelle Untersuchungen von wirbel-induzierter Fluid-Struktur-Wechselwirkung Benchmarks und korrespondierenden numerischen RANS Simulationen
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Kalmbach, Andreas
Publisher: name: Universitätsbibliothek der HSU / UniBwH
Year: 2015
Subjects: subject: Fluid-Struktur Wechselwirkung
subject: Testfall
subject: Turbulente Strömung
subject: Turbulent Flow
subject: Numerical Predictions
subject: 620 Ingenieurwissenschaften

description: In the last decade, the demand for the prediction of complex multi-physics problems such as fluid-structure interaction (FSI) has strongly increased. These FSI phenomena can be found in many industry-related applications, e.g., in the design of aircrafts, wind turbines or heart valves to mention only a few. In present and future applications with complex multi-physics couplings, the numerical prediction of FSI problems is an important and valuable engineering tool in the design, life cycle analysis and prototyping. Due to enhanced numerical algorithms and the strong increase of the computational power in the last decades, it is now feasible to simulate real-world FSI problems. Thus, a variety of numerical models are available or are currently in development to predict FSI applications. To evaluate and improve these complex non-linear computations, experimental studies are highly necessary. In order to provide reliable data for the validation and evaluation of coupled Computational Fluid Dynamics (CFD) and Computational Structure Dynamics (CSD) tools, different experimental test configurations (benchmarks) were developed and studied. In the present thesis four series of test configurations exposed to turbulent flows are investigated using precise experimental measurement techniques and complementary numerical predictions. In each case the flexible structures are excited by vortex shedding. The shed vortices move downstream and start to interact with the flexible structures leading to a bidirectional self-excited fluid-structure interaction. Due to the oscillating behavior of this flow phenomenon and the resulting pressure distribution along the fluid-structure interface, the flexible structures start to deflect. The experimental investigations are performed in a water channel (Göttingen type) allowing contactless data acquisition systems for the flow (2D particle image velocimetry and 3D particle tracking techniques) and structural measurements (2D laser line triangulation). Due to cycle-to-cycle variations of the structural deflections owing to chaotic irregular fluctuations of the turbulent flow field, the flow measurements are phase-averaged to obtain representative data. For all test configurations the system response as a function of the inflow velocities is analyzed. Different swiveling states of the flexible structures are identified and assigned to already known excitation mechanisms. Furthermore, for each test case the flow and structural behavior at a well-chosen inflow velocity is extensively investigated. Here, the coupled system is experimentally determined in form of two-dimensional flow fields and two-dimensional structural deformations representing the data base for the validation purpose. The first test case series FSI-PfS-1x consists of a fixed rigid cylinder with an attached flexible plate. Three different elastic materials are applied to similar working conditions producing deflections in the order of the front cylinder diameter in the first and second swiveling mode. The second series FSI-PfS-2x uses the same configuration but applies an additional steel weight attached at the trailing edge of the flexible plate and a fixed or rotational mount of the front cylinder. This modification increases the inertia of the system and enables even larger structural deformations in the second swiveling mode. Regarding these first two test cases, both configurations are generating almost two-dimensional structural system responses. To develop a three-dimensional test case, the third benchmark FSI-PfS-3x replaces the circular cylinder by a tapered cylinder. As a consequence the flow and the resulting structural responses are of three-dimensional kind in the first swiveling mode. The last test series FSI-PfS-4x is application-oriented and addresses well-known vortex-induced vibrations which are common in technical applications like heat exchangers consisting of tube bundles. Here, a long circular cylinder is fixed at one channel wall and is free at the opposite site. Two different configurations, a single flexible cylinder and a 3x3 arrangement are studied. The crossflow configuration causes large deflections of the free cylinder tip and high swiveling frequencies. The complementary numerical studies are carried out with the multi-physics software environment of ANSYS 14.0 using the FSI coupling interface between ANSYS CFX for the fluid flow and ANSYS Mechanical for the structure deformation. Due to the turbulent flow conditions a RANS turbulence model is used to predict the vortex shedding from the cylinder and the fluid flow in the wake of the structure. The numerical predictions lead to satisfactory results for the two-dimensional test cases and less reasonable results for the three-dimensional test configurations. For the three dimensional numerical simulations limitations of the cell numbers and difficult boundary conditions for the structure lead to non-physical results.
description: In den letzten Jahren stieg die Nachfrage nach verlässlichen Vorhersagemodellen für die numerische Simulation von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen (FSI) stark an. Diese komplexen physikalischen Wechselwirkungen sind in vielen industrie-relevanten Anwendungen zu finden, beispielsweise in der Entwicklung von Tragflügeln, Windkraftanlagen oder künstlichen Herzklappen. Schon heute ist die numerische Simulation von diesen multi-physikalischen Vorgängen ein immer wichtiger werdendes Werkzeug in der Produktentwicklung für Lebensdaueranalysen sowie im Prototyping. Durch die Entwicklung von verbesserten numerischen Algorithmen und den starken Anstieg der Rechenleistung ist es nun möglich, auch anwendungsnahe gekoppelte Fluid- (CFD) und Struktur- (CSM) Simulationen durchzuführen. Für die Verbesserung und Weiterentwicklung der numerischen Modelle sind Vergleiche mit experimentellen Daten unerlässlich. Zu diesem Zweck wurden in der Vergangenheit verschiedene Testkonfigurationen (Benchmarks) entwickelt und untersucht. In dieser Arbeit werden vier unterschiedliche Testkonfigurationen mit präzisen experimentellen Messmethoden und komplementären numerischen Simulationen untersucht. In jedem Testfall wird eine flexible Struktur einer turbulenten Strömung ausgesetzt und die Strukturantwort analysiert. Durch die entstehenden Wirbelablösungen an der Struktur und die daraus resultierenden quasi-periodisch wechselnden Druckkräfte auf der Fluid-Struktur-Grenzfläche wird diese zum Schwingen angeregt. Die experimentellen Untersuchungen wurden in einem Wasserkanal Göttinger Bauart durchgeführt. Der eingesetzte Versuchsstand ermöglicht die Nutzung kontaktloser Lasermesstechniken für die Untersuchung der Strömung (2D-Particle-Image-Velocimetry sowie 3D-Particle-Tracking) und der Strukturbewegung (2D-Laser-Line-Triangulation). Aufgrund der zyklischen Schwankung der Strukturauslenkung innerhalb einer Periode, welche wiederum durch die turbulenten Fluktuationen in der Strömung hervorgerufen wird, wurden die Messdaten für Struktur und Strömung nachträglich phasengemittelt. Für alle Testfälle wurde die Strukturantwort als Funktion der Einströmgeschwindigkeit analysiert. Dabei wurden verschiedene Schwingungszustände identifiziert und bekannten Anregungsmechanismen zugeordnet. Weiterhin wurden für alle Testfälle bei einer bestimmten Einströmgeschwindigkeit detailliertere Untersuchungen durchgeführt. Dazu wurde der Systemzustand innerhalb einer quasi-periodischen Schwingung für die Strömung sowie die Strukturbewegung experimental ermittelt. Die Testreihe FSI-PfS-1x besteht aus einem starren Zylinder, an welchem eine elastische Platte befestigt ist. Drei unterschiedliche elastische Materialien wurden unter ähnlichen Betriebsbedingungen untersucht. Für diese Testfälle wurden Strukturauslenkungen im Bereich des Zylinderdurchmessers im ersten und zweiten Schwingungsmodus ermittelt. Die zweite Testreihe FSI-PfS-2x benutzt eine ähnliche jedoch leichte veränderte Konfiguration wie FSI-PfS-1x. Um größere Verformungen zu ermöglichen, wurde die Trägheit der Struktur mithilfe eines zusätzlichen Gewichts am Ende der elastischen Platte erhöht. Weiterhin wurde der Einfluss der Zylinderlagerung untersucht. Für beide Konfigurationen (fixierter Zylinder und drehbar gelagerter Zylinder) wurden große Strukturverformungen im zweiten Schwingungsmodus festgestellt. Die ersten beiden Testreihen FSI-PfS-1x und 2x sind vornehmlich auf zweidimensionale Struktur- und Strömungsbewegungen beschränkt. Um eine dreidimensionale Testkonfiguration zu entwickeln, wurde der starre Zylinder durch einen starren Kegelstumpf ersetzt (FSI-PfS-3x). Wiederum wurde eine elastische Platte hinten am Kegel befestigt. Für die Strömung und die Strukturbewegung wurden quasi-periodische dreidimensionale Bewegungszustände im ersten Schwingungsmodus ermittelt. Der Aufbau von FSI-PfS-4x besteht aus einem langen elastischen Zylinder, welcher an einer Seite fest fixiert und an der gegenüberliegenden Seite freibeweglich ist. Optional wird der elastische Zylinder in einer Anordnung von starren Zylindern begrenzt. Die Querströmung verursacht große Strukturverformungen mit hohen Schwingungsfrequenzen des elastischen Zylinders. Die komplementären numerischen Untersuchungen wurden mit der Multi-Physik-Softwareumgebung von ANSYS 14.0 durchgeführt. Dabei wurde der Strömungslöser ANSYS CFX mit dem Strukturlöser ANSYS Mechanical gekoppelt. Aufgrund der vorliegenden turbulenten Strömung wurde ein RANS Turbulenzmodell verwendet. Die numerischen Untersuchungen konnten teilweise die experimentellen Systemzustände reproduzieren. Gerade die Simulation der zweidimensionalen Testfälle ergab gute Übereinstimmungen mit den experimentellen Daten. Für die dreidimensionalen Testfälle wurden aufgrund von Beschränkungen der Zellanzahl und unpassenden Randbedingungen für die Struktur teilweise unphysikalische Ergebnisse produziert.