실린더 형상의 유동에 의한 진동(FIV) 현상은 전형적인 유체와 구조물의 상호 작용에 의한 진동으로 여러 가지 공학적인 응용 면에서 최근 들어 많은 관심을 받아왔다.
본 연구는 정지된 실린더와 진동하는 실린더의 모서리 곡률 변화에 따른 유동 특성을 규명하고자 한다. 특성길이 D인 실린더의 모서리 R의 비는 R/D=0 (정사각형 실린더), 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 그리고 0.5(원형실린더)로 6가지 경우를 수치해석 하였다. 유한체적방식을 사용하는 상용 코드에 물체의 움직임에 따라 함께 움직이는 격자방법을 적용하고 ...
실린더 형상의 유동에 의한 진동(FIV) 현상은 전형적인 유체와 구조물의 상호 작용에 의한 진동으로 여러 가지 공학적인 응용 면에서 최근 들어 많은 관심을 받아왔다.
본 연구는 정지된 실린더와 진동하는 실린더의 모서리 곡률 변화에 따른 유동 특성을 규명하고자 한다. 특성길이 D인 실린더의 모서리 R의 비는 R/D=0 (정사각형 실린더), 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 그리고 0.5(원형실린더)로 6가지 경우를 수치해석 하였다. 유한체적방식을 사용하는 상용 코드에 물체의 움직임에 따라 함께 움직이는 격자방법을 적용하고 사용자 정의 함수(UDF)를 사용하여 각각의 형상에 대한 유동을 2차원으로 해석하였다. 정지된 실린더, 강제 진동 실린더, 그리고 자유진동 실린더의 해석을 여러 변수와 함께 분석하여 유체와 물체의 상호간섭이 일어나는 복잡한 유동현상을 해석하였다. 본 연구 결과는 모서리 곡률변화에 따른 실린더의 물리적 유동 현상을 이해하기 위한 수치해석 방법을 정립하였고 실린더의 진동현상에 영향을 미칠 수 있는 변수들을 연구하였다.
본 연구 결과는 고정된 실린더나 진동하는 실린더의 유동 모두 실린더 모서리 곡률에 매우 큰 영향을 받음을 알 수 있었다. 고정 실린더의 해석 결과에서 정사각형이나 원형 실린더가 아닌 대략 R/D=0.2에서 공기저항 계수(CD)와 RMS(root mean square) 양력 계수 (CL,RMS)가 최소 값으로 낮아짐을 알 수 있었다. 그리고 정지 실린더와 바람이 불어 오는 각도에 따라 공력 특성이 달라지며, 비교적 받음각이 작은 값에서 최소 CD , CL,RMS, 그리고 최대 St (Strouhal 수)가 됨을 알 수 있었다. 정사각형 실린더의 경우 최소 CD와 최소 CL,RMS 의 받음각은 αcri = 12°로 계산되었으며, R/D = 0.1 ~ 0.4영역에서의 받음각은 α = 5° to 10°임을 알 수 있었다. 고정 실린더 에 비해 강제 진동 실린더로부터 얻어진결과는 CD 와 CL,RMS 값의상당한 증가 를 나타낸다.고정 실린더 유동에 비해 강제 진동 실린더의 유동 해석의 CD 값은약 10%, CL,RMS 값은 약 40%정도 증가하였다. 모서리 곡률에 따른 실린더의 공기저항과 양력에 의한 유동방향과 유동에 수직방향의 진동을 1자유도와 2자유도의 자유진동 해석을 진동비(Fr)의 변화에 따라 계산을 수행하였다. 해석결과는 R/D을 감소할수록 실린더의 유동에 수직방향의 진폭이 감소하였고 그에 따라 CD 와 CL,RMS가 감소하였다. 자연 진동의 해석 결과는 최소 진폭과 CD 그리고 최소 CL,RMS는 사각 실린더에서 구해졌고, 반면에 원형 실린더가 최대 값을 가졌다.
실린더 형상의 유동에 의한 진동(FIV) 현상은 전형적인 유체와 구조물의 상호 작용에 의한 진동으로 여러 가지 공학적인 응용 면에서 최근 들어 많은 관심을 받아왔다.
본 연구는 정지된 실린더와 진동하는 실린더의 모서리 곡률 변화에 따른 유동 특성을 규명하고자 한다. 특성길이 D인 실린더의 모서리 R의 비는 R/D=0 (정사각형 실린더), 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 그리고 0.5(원형실린더)로 6가지 경우를 수치해석 하였다. 유한체적방식을 사용하는 상용 코드에 물체의 움직임에 따라 함께 움직이는 격자방법을 적용하고 사용자 정의 함수(UDF)를 사용하여 각각의 형상에 대한 유동을 2차원으로 해석하였다. 정지된 실린더, 강제 진동 실린더, 그리고 자유진동 실린더의 해석을 여러 변수와 함께 분석하여 유체와 물체의 상호간섭이 일어나는 복잡한 유동현상을 해석하였다. 본 연구 결과는 모서리 곡률변화에 따른 실린더의 물리적 유동 현상을 이해하기 위한 수치해석 방법을 정립하였고 실린더의 진동현상에 영향을 미칠 수 있는 변수들을 연구하였다.
본 연구 결과는 고정된 실린더나 진동하는 실린더의 유동 모두 실린더 모서리 곡률에 매우 큰 영향을 받음을 알 수 있었다. 고정 실린더의 해석 결과에서 정사각형이나 원형 실린더가 아닌 대략 R/D=0.2에서 공기저항 계수(CD)와 RMS(root mean square) 양력 계수 (CL,RMS)가 최소 값으로 낮아짐을 알 수 있었다. 그리고 정지 실린더와 바람이 불어 오는 각도에 따라 공력 특성이 달라지며, 비교적 받음각이 작은 값에서 최소 CD , CL,RMS, 그리고 최대 St (Strouhal 수)가 됨을 알 수 있었다. 정사각형 실린더의 경우 최소 CD와 최소 CL,RMS 의 받음각은 αcri = 12°로 계산되었으며, R/D = 0.1 ~ 0.4영역에서의 받음각은 α = 5° to 10°임을 알 수 있었다. 고정 실린더 에 비해 강제 진동 실린더로부터 얻어진결과는 CD 와 CL,RMS 값의상당한 증가 를 나타낸다.고정 실린더 유동에 비해 강제 진동 실린더의 유동 해석의 CD 값은약 10%, CL,RMS 값은 약 40%정도 증가하였다. 모서리 곡률에 따른 실린더의 공기저항과 양력에 의한 유동방향과 유동에 수직방향의 진동을 1자유도와 2자유도의 자유진동 해석을 진동비(Fr)의 변화에 따라 계산을 수행하였다. 해석결과는 R/D을 감소할수록 실린더의 유동에 수직방향의 진폭이 감소하였고 그에 따라 CD 와 CL,RMS가 감소하였다. 자연 진동의 해석 결과는 최소 진폭과 CD 그리고 최소 CL,RMS는 사각 실린더에서 구해졌고, 반면에 원형 실린더가 최대 값을 가졌다.
The flow induced vibrations (FIV) of the cylinder are a typical fluid structure interaction problem that has received a great deal of attention in recent years because of its various engineering applications.
This work is an attempt to investigate the effect of the rounded corners on near wake flow...
The flow induced vibrations (FIV) of the cylinder are a typical fluid structure interaction problem that has received a great deal of attention in recent years because of its various engineering applications.
This work is an attempt to investigate the effect of the rounded corners on near wake flow features of cylinder in both stationary and oscillating conditions. Six models with various radius to diameter ratios, R/D = 0 (square cylinder), 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5 (circular cylinder), where R is the corner radius and D is the characteristic dimension of the body were studied. The finite volume commercial code in conjunction with the moving mesh scheme implemented via a User Defined Function (UDF) was applied to simulate the two dimensional flow past square cylinder with different radius to diameter ratios. The influences of stationary, forced and naturally oscillating cylinder with various investigating parameters are carefully analyzed to explore the complex flow features. This research establishes the capability of present numerical methodology for understanding the flow physical phenomenon for square cylinder with different corner radius and investigate the parameter effects that may potentially change the cylinder dynamics
The present results concluded that near wake flow features around the square cylinder in stationary and oscillating condition is a strong function of the rounded corners. The research findings for stationary cylinder suggested that with a rounded corner ratio around R/D = 0.2, mean drag coefficient (CD) and root mean square value of the lift coefficient (CL,RMS) can be greatly reduced, as compared to circular and square cylinders. Also the critical incidence angle for the rounded corner stationary cylinder—corresponding to the minimum CD, the minimum CL,RMS, and the maximum Strouhal number—shifted to a lower incidence angle compared with the sharp corner square cylinder. The minimum drag and lift coefficient for square cylinder were observed for the critical incidence angle αcri = 12°, whereas for R/D = 0.1 to 0.4, the minimum drag and lift coefficient were found to be within the range of α = 5° to 10. The results obtained from the forced oscillating cylinder shows a significant increase in the CD and CL,RMS values as compared to the stationary cylinder. The results obtained from the forced oscillating cylinder shows a 10% increase in CD and 40% increase in CL,RMS values as compared to the stationary cylinder. In order to address the 1 DOF and 2 DOF FIV aspects of naturally oscillating square cylinder with different rounded corners, the transverse and streamwise displacement of the cylinder alongwith the lift and the drag coefficient are analyzed under different frequency ratio, Fr. The 1 DOF and 2 DOF natural oscillation results show the significant effect of varying frequency ratio, Fr and R/D on the FIV modes of the cylinder. The results indicate that with the decrease of R/D the transverse amplitude of the cylinder decreases, hence the lift and drag forces acting on the cylinder is reduced. It was found that for naturally oscillating cylinders the minimum transverse amplitude, the minimum drag and lift forces can be obtained for the square cylinder, whereas maximum for the circular cylinder.
The flow induced vibrations (FIV) of the cylinder are a typical fluid structure interaction problem that has received a great deal of attention in recent years because of its various engineering applications.
This work is an attempt to investigate the effect of the rounded corners on near wake flow features of cylinder in both stationary and oscillating conditions. Six models with various radius to diameter ratios, R/D = 0 (square cylinder), 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5 (circular cylinder), where R is the corner radius and D is the characteristic dimension of the body were studied. The finite volume commercial code in conjunction with the moving mesh scheme implemented via a User Defined Function (UDF) was applied to simulate the two dimensional flow past square cylinder with different radius to diameter ratios. The influences of stationary, forced and naturally oscillating cylinder with various investigating parameters are carefully analyzed to explore the complex flow features. This research establishes the capability of present numerical methodology for understanding the flow physical phenomenon for square cylinder with different corner radius and investigate the parameter effects that may potentially change the cylinder dynamics
The present results concluded that near wake flow features around the square cylinder in stationary and oscillating condition is a strong function of the rounded corners. The research findings for stationary cylinder suggested that with a rounded corner ratio around R/D = 0.2, mean drag coefficient (CD) and root mean square value of the lift coefficient (CL,RMS) can be greatly reduced, as compared to circular and square cylinders. Also the critical incidence angle for the rounded corner stationary cylinder—corresponding to the minimum CD, the minimum CL,RMS, and the maximum Strouhal number—shifted to a lower incidence angle compared with the sharp corner square cylinder. The minimum drag and lift coefficient for square cylinder were observed for the critical incidence angle αcri = 12°, whereas for R/D = 0.1 to 0.4, the minimum drag and lift coefficient were found to be within the range of α = 5° to 10. The results obtained from the forced oscillating cylinder shows a significant increase in the CD and CL,RMS values as compared to the stationary cylinder. The results obtained from the forced oscillating cylinder shows a 10% increase in CD and 40% increase in CL,RMS values as compared to the stationary cylinder. In order to address the 1 DOF and 2 DOF FIV aspects of naturally oscillating square cylinder with different rounded corners, the transverse and streamwise displacement of the cylinder alongwith the lift and the drag coefficient are analyzed under different frequency ratio, Fr. The 1 DOF and 2 DOF natural oscillation results show the significant effect of varying frequency ratio, Fr and R/D on the FIV modes of the cylinder. The results indicate that with the decrease of R/D the transverse amplitude of the cylinder decreases, hence the lift and drag forces acting on the cylinder is reduced. It was found that for naturally oscillating cylinders the minimum transverse amplitude, the minimum drag and lift forces can be obtained for the square cylinder, whereas maximum for the circular cylinder.
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