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Dissertationen (eigene und begutachtete):

J. Strecha:
"Flow induced vibrations of a U-shaped belt";
Betreuer/in(nen), Begutachter/in(nen): H. Steinrück, S. Pospísil; E322 Strömungsmechnik und Wärmeübertragung, 2015; Rigorosum: 17.06.2015.



Kurzfassung deutsch:
Winderregte Schwingungen prismatischer Strukturen sind für Ingenieure
und Architekten von großer Bedeutung. Umströmte, aerodynamisch
stumpfe Körper wie Brücken, Maste oder Türme können durch mehrere
Mechanismen zu Schwingungen angeregt werden. Die vorliegende Arbeit
untersucht winderregte zwei-Freiheitsgrad Schwingungen (Flattern)
eines Prismas mit U-Querschnitt mit bestimmten Aspektverhältnis.

Grundsätzlich wird das Verhalten des U-Profils mittels Computational
Fluid Dynamics (CFD) Simulation in einem zwei-dimensionalen
Rechengebiet mit ANSYS Fluent untersucht. Ein
Turbulenzmodell wurde aufgrund zahlreicher Validierungssimulationen
ausgewählt. Um die Bewegung des U-profils zu ermöglichen wurde ein
Teil des Rechengitters bewegt und deformiert. Die Lösung der
Bewegungsgleichung erfolgt mit einer User defined function.

Untersuchung der Umströmung des festgehaltenen U-Profils zeigt, dass,
abhängig vom Anstellwinkel, unterschiedliche Strömungsformen
vorliegen. Beide Strömungsformen sind zeitlich periodisch. Der
prinzipielle Unterschied betrifft die Entwicklung der freien
Scherschicht aus der sich Wirbel entweder in der Tasche des U-Profils
oder dahinter bilden. Der Vergleich mit Windkanalexperimenten zeigt,
dass beide Strömungsformen der Simulation bis zu einem gewissen Grad
der Realität entsprechen.

Die Neigung des U-Profils zu sogenannten selbsterregten Schwingungen
wird mit der Methode der aerodynamischen Ableitungen untersucht.
Dabei wird die Abhängigkeit der Luftkräfte von der Bewegung des
U-Profils näherungsweise durch Untersuchung der Strömung um das
zwangsbewegte Profil bestimmt.

Gekoppelte Simulationen zeigen dass das U-Profil Schwingungen in zwei
Parameterbereichen ausführen kann. Zum einen kann die Wirbelbildung
bei der jeweiligen Strömungsform Schwingungen anregen. Diese sind auf
ein schmales Intervall von Strömungsgeschwindigkeiten begrenzt und
hängen in ihrem Charakter stark von der Strömungsform ab. Bei höheren
Strömungsgeschwindigkeiten können, wie von der Methode der
aerodynamischen Ableitungen angedeutet, Flatter-Schwingungen
ausgeführt werden. Ein Wirbel, der durch die Drehbewegung des Profils
erzeugt wird konnte als Anregemechanismus identifiziert werden. Diese
Schwingungen wurden ab einer bestimmten, kritischen Geschwindigkeit
auch in Windkanalversuchen beobachtet und weisen größere Amplituden
auf als die zuvor erwähnten wirbelerregten Schwingungen.

Die relevanten Strömungsphänomene wurden qualitativ auch bei
begrenzten Rechenkapazitäten erfasst. Jedoch zeigen die
Windkanalexperimente auch die Grenzen der derzeitigen
Simulationsmethodik auf. Die eingesetzten Simulationsmethoden
erlauben quantitative Vorhersagen nur sehr eingeschränkt.

Kurzfassung englisch:
Wind-induced vibrations of prismatic structures in cross-flow are of
greatest importance for engineers and architects. Aerodynamically
bluff bodies such as bridge decks of suspension bridges, towers or
masts can be excited to vibrations by several mechanisms. This thesis
studies wind-induced flutter vibrations of a prism with U-shaped cross
section.

The investigation relies on Computational Fluid Dynamics (CFD)
simulations carried out in a two-dimensional computational domain in
\textit{ANSYS Fluent}. The choice of the turbulence model is based on
several validation simulations. Motion of the U-profile was handled
by deforming and moving parts of the calculation mesh. The structural
equations of motion were solved with a User-defined function.

Numerically, it was found that there are two distinct, time-periodic
patterns of the flow around the U-profile. Depending on the angle of
inclination vortices either form in the cavity of the U or behind it.
Comparison with wind tunnel experiments shows that both flow patterns
have certain resemblance with the real flow.

The possibility of so-called self-excited vibrations was analysed with
the method of aerodynamic derivatives. The dependence of the
aerodynamic forces on the profile motion is approximated by studying
the flow around a U-profile which is forced to move.

Coupled simulations of free vibrations show that the U-profile can be
excited to vibrations in two different parameter regimes. Firstly,
the vortex shedding under either flow pattern can excite vibrations.
These vibrations are confined to a narrow interval of flow velocities.
Their appearance depends on the flow pattern. Secondly, as was
indicated by the aerodynamic derivatives, self-excited flutter
vibrations are possible at large flow velocities. A vortex induced by
a small pitching motion of the profile was identified as excitation
mechanism. These vibrations were also observed in wind tunnel
experiments for flow velocities greater than a certain critical flow
velocity. Their amplitude is larger than the amplitude of the
previously mentioned vortex induced vibrations.

The qualitative nature of the vibration regimes could be captured by
2D simulations. However, the wind tunnel experiments also highlight
the limitations of the simulation approach. The predictive power of
the applied simulation methods turned out to be very limited.

Schlagworte:
strömungserregte Schwingungen / schlanke Profile /


Elektronische Version der Publikation:
http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_239288.pdf


Erstellt aus der Publikationsdatenbank der Technischen Universitšt Wien.