Numerical investigation of one-degree-of-freedom vortex-induced vibration of a rigid circular cylinder

Le vibrazioni indotte dal fenomeno di distacco di vortici (VIV, Vortex-Induced Vibration) su un cilindro rigido a sezione, circolare montato elasticamente con un grado di libertà sono state simulate numericamente. Il sistema meccanico considerato è caratterizzato da un basso rapporto di massa e un basso rapporto di smorzamento. Nello studio è stata presa in considerazione un’ampia gamma di regimi di velocità del flusso incidente, corrispondenti a un numero di Reynolds subcritico. Il distacco di vortici generato a valle da un cilindro è stato simulato numericamente tramite gli approcci Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) e Scale Adaptive Simulation (SAS). I risultati delle diverse simulazioni numeriche sono stati confrontati tra loro e con i dati sperimentali di letteratura. La maggiore differenza nei risultati ottenuti, tramite l’applicazione del modello URANS a due differenti griglie di calcolo - bidimensionale (2D) e tridimensionale (3D) - si trova nella regione del ramo superiore (upper branch) dove si verifica la massima ampiezza di oscillazione trasversale. Dall’analisi della scia in direzione assiale al cilindro, condotta tramite simulazioni tridimensionali URANS e SAS, è stato scoperto che la maggiore tridimensionalità del flusso si trova nella zona di transizione tra i diversi tipi di risposta. Queste zone di transizione sono caratterizzate da una risposta di tipo isteretico. Una risposta di tipo intermittente è stata osservata nella transizione tra i rami superiore (upper branch) e inferiore (lower branch). Si è osservato come non vi sia formazione di flusso tridimensionale nel ramo inferiore (lower branch). Si può considerare che, in questa regione, la semplificazione numerica bidimensionale sia giustificata. Si è eseguita la quantificazione dell’incertezza totale e l’analisi di sensibilità del modello di turbolenza SST, dovuta ai suoi coefficienti di chiusura, applicato al caso del VIV. Per l’analisi di quantificazione, sono state simulate tre diverse velocità di flusso incidente nel regime del ramo inferiore (lower branch) con l’approccio URANS bidimensionale. I risultati ottenuti hanno identificato l’insieme di coefficienti di chiusura che maggiormente contribuiscono all’incertezza nei risultati. Viene infine presentato un modello multi-frequenza a singolo grado di libertà (sdof-mf, single-degree-of-freedom multi-frequency model) per la previsione del fenomeno del VIV. Il modello sdof-mf proposto si basa sulla decomposizione della forza idrodinamica totale in una forza di inerzia/resistenza, convenzionalmente associata al movimento del cilindro nel fluido fermo e ad una forza di portanza aggiuntiva associata al distacco di vortici. I parametri di questo modello sono stati identificati usando una procedura di identificazione parametrica (PI, Parameter Identification) applicata ai risultati ottenuti nel dominio del tempo delle forze indotte dal distacco di vortici, ottenute tramite simulazioni CFD. Dai risultati complessivi, il modello mostra capacità promettenti nella riproduzione delle forze di distacco dei vortici e del movimento del cilindro, sia in termini di ampiezze che di frequenze.

Vortex-Induced Vibrations of an elastically mounted rigid circular cylinder with one-degree- of-freedom (1-DOF) are numerically investigated. The mechanical system considered is characterised by low mass ratio and low damping ratio. A wide range of flow regimes, corresponding to a sub-critical Reynolds number, are taken into consideration. The vortex shedding around the cylinder is investigated numerically by the Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) and by the Scale Adaptive Simulation (SAS) approaches. The results of the different numerical simulations have been compared to each other and to the experimental data from literature. The difference between bidimensional (2D) and three-dimensional (3D) URANS mesh models are in the upper branch region where the maximum amplitude of transverse oscillation occurs. From the analysis of the wake flow in span-wise direction, conducted with three-dimensional URANS and SAS simulation, it has been found that the three-dimensionality of the flow is stronger in the transition zone between the different branches. These zones are characterised by a hysteretic transition. Intermittency is also observed in the transition between upper and lower branches. It has been observed that three-dimensional flow behaviour is absent in the lower branch. In this region, the bi-dimensional simplification may be justified. The quantification of the total uncertainty in the VIV quantity of interest due to the uncertainty in the value of closure coefficients of the SST turbulence model is performed. For the quantification analysis, three different flow velocities in the lower branch regime have been simulated with 2D URANS approach. The results identify a set of closure coefficients which most contribute to the uncertainty in the results. A novel single-degree-of-freedom multi-frequency model (sdof-mf ) for prediction of VIV is presented. The proposed sdof-mf model relies on the decomposition of the total hydrodynamic force in an inertia/drag force, conventionally associated with the cylinder motion in still fluid, and an additional lift force associated to pure vortex shedding. The parameters of this model are identified using a Parametric Identification (PI) procedure applied to time domain data of vortex induced forces, obtained via CFD simulations. From the overall results, the model exhibits promising capabilities in the reproduction of vortex shedding forces and cylinder motion, in terms of both amplitudes and frequencies.