On the Interaction between vortex-induced vibration and galloping in rectangular cylinders of low side ratio

Massai, Tommaso

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Interaktion zwischen wirbelerregten Querschwingungen und der Galloping Instabilität von rechteckigen Körpern mit geringem Streckungsverhältnis SR (Verhältnis von Breite zur Höhe). Der Interaktionsmechanismus beider Phänomene wurde für einen breiten Bereich von Reynoldszahlen (Re) und Massenverhältnissen (m*) untersucht. Damit wurden laminare und turbulente Strömungszustände sowie Fluide, wie zum Beispiel Luft undWasser, abgedeckt. Diese Art von strömungsinduzierten Schwingungen entsteht für bestimmte Kombinationen aus aerodynamischen und strukturdynamischen Zustnden. Die Dissertation gliedert sich dabei in zwei Teile, die sich mit wissenschaftlichen Erkenntnissen und Bemessungsvorschlägen beschäftigen. Im ersten Teil werden Untersuchungen am rechteckigen Körper vorgestellt. Diese Experimente wurden sowohl im Wind als auch im Wellenkanal durchgeführt, um das Massenverhältnis m* und die Re der Strömung zu berücksichtigen. Im zweiten Teil wurde ein Modell vorgeschlagen, um die Interaktion zwischen wirbelerregten Querschwingungen und Galloping zu prognostizieren. Im Gegensatz zu bestehenden Studien aus der Literatur an quadratischen Körpern (SR=1), hat die vorliegende Arbeit Untersuchungen an rechteckigen Körpern mit SR=3/2 (beschrieben als weiche Schwinger) und SR=2/3 (harte Schwinger) zum Gegenstand. Die Ergebnisse unter Luftströmung zeigen variierende Amplitudenverläufe in Abhängigkeit des Modellquerschnitts. Auẞerdem werden superharmonische Resonanzen bei einem Drittel der karmanschen Resonanzgeschwindigkeit beobachtet, die mit Ergebnissen aus der Literatur übereinstimmen. Versuche im Wellenkanal zeigen, dass die Antwort hinsichtlich der Amplitude und der Frequenz stark vom Massenverhältnis m* abhängig ist. Dieser Effekt wurde mehrmals in der Literatur für zylindrische Körper beschrieben. Auch das Heckteil zeigt einen groẞen Einfluss, denn für den Fall SR=2/3 wirkt das Verhältnis im Gegensatz zum Windkanal als weicher Schwinger. Experimente mit variierenden Massenverhältnissen m* liefern wertvolle Information. Dies gilt insbesondere für die Streckungsverhältnisse SR=3/2 und 2/3, da für diese Fälle keine Studien mit niedrigen Werten von m* in der Literatur vorhanden sind. Schlieẞlich wurden numerische Simulationen durchgeführt, um die experimentellen Untersuchungen zu verifizieren.

The thesis deals with the interaction between vortex-induced vibrations (VIV) and galloping for rectangular cylinders of low side ratio, which is defined as the body width on the body depth facing the fluid flow (SR=B/D). In particular, the interaction mechanism has been characterized for a wide range of Reynolds numbers (Re) and mass ratios (m*), aiming to provide a complete description of the response in several flow situations (smooth and turbulent, air and water) for bodies which exhibited, or were known to have, a pronounced proneness to this type of instability. This type of flow-induced vibrations phenomenon occurs for particular combinations of both aerodynamic and dynamic characteristics of a system. The study consists in two main parts, both of them aimed at proposing a complete framework for scientific and designing purposes. The first one investigates the phenomenon occurring in sectional models purposely designed and experimentally tested, whereas the second one is devoted to the implementation of a predictive model for the interaction, implying also further experimental measures to assess the model key-parameter. Several sectional models of a SR=1.5 have been tested given that this section demonstrated to be particularly prone to the interaction between VIV and galloping. Nevertheless, the majority of former literature investigations were performed on the square section. The response features of such a phenomenon are still not fully understood. In order to have a deeper insight and to give a complete description of the interaction, the present investigation was conducted focusing particularly on the SR=1.5 rectangular section: this is a soft oscillator respect to the incipient instability, while the same rotated section with an angle of attack of 90°, that is SR=0.67, is generally referred to as a hard-type one. Results in air flow showed peculiar amplitude response curves differently shaped depending on Re, m* and corners sharpness accuracy. Results in water flow showed the response in amplitude and frequency to be strongly influenced by the abrupt change of m*, recalling the different responses in air and water flow regime reported in literature for a circular cylinder, though related to VIV only. SR=0.67 shows a completely different response, although remaining, differently from air flow measurements, a soft oscillator. Further tests on m* variation constituted an integration for the data so far available in literature about these sections.

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Massai, Tommaso: On the Interaction between vortex-induced vibration and galloping in rectangular cylinders of low side ratio. 2015.

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