Experimentelle und numerische Untersuchung von wirbelinduzierten Schwingungen zylindrischer Körper

Beteiligte Wissenschaftler

Hassan el Sheshtawy M. Sc.
Simon Tödter M. Sc.
Prof. Dr.-Ing. Bettar Ould el Moctar

Projektbeschreibung

Wirbelinduzierte Schwingungen (engl.: vortex-induced vibrations (VIV)) durch eine Strömung um einen stumpfen Körper können zu substanziellen Strukturantworten in Form von Vibrationen führen. VIV gehört allgemein zu der Kategorie der Fluid-Struktur Interaktionen (FSI) und findet sich im maritimen Kontext in vielen Bereichen wieder. Dazu gehören beispielweise Steigleitungen, Windkraftanlagen und Offshore-Plattformen. Resonanzfälle entstehen, wenn die Wirbelablösefrequenz der Eigen­frequenz der Struktur gleicht. Hierbei schwingt die Struktur normal zur Strömungsrichtung, was die strukturelle Integrität oder die Lebensdauer beinträchtigen kann. Durch die Bedeutsamkeit von VIV wurde das Phänomen in vielen Bereichen extensiv studiert und ist für gängige Applikationen gut bekannt. Dennoch wurde es bis heute nicht vollständig verstanden und immer komplexer werdende Anwendungen machen eine detailliertere Untersuchung unabdingbar. In diesem Forschungsprojekt werden wirbel-induzierte Vibrationen von zylindrischen Strukturen experimentell und numerisch untersucht. 

Experimentelle Untersuchungen von vollständig und teilweise eingetauchten Monopiles im Modellmaßstab wurden im Umlauftank des Institut für Schiffstechnik, Meerestechnik und Transport­systeme (ISMT) an der Universität Duisburg-Essen durchgeführt. Dabei wurden Strömungsgeschwindig­keiten und die Strukturantwort simultan gemessen. Digital Image Correlation (DIC) wurde verwendet, um die räumliche aufgelöste Verformung der Strukturen optisch zu ermitteln. Die Ergebnisse wurden zur Validierung mit triaxialen Beschleunigungsmessungen verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass sich DIC zur optischen Messung von VIV im maritimen Kontext eignet. Zusätzlich wurden Kräfte und Momente auf die Strukturen in sechs Freiheitsgraden gemessen. Ein Laser Doppler Velocitymeter (LDV) wurde verwendet, um die Strömungsgeschwindigkeiten um die Strukturen zu messen. Basierend auf den Messungen wurden punktuelle Wirbelablösefrequenzen bestimmt. Ein Particle Image Velocimetry (PIV) System wurde verwendet, um die Geschwindigkeitsfelder zu erfassen und die Strömungs­charakteristika in Form von Wirbelmustern zu visualisieren. Abbildung 1 zeigt die verwendeten Versuchs­aufbauten und Abb. 2 zeigt Versuchsergebnisse bei einer Anströmgeschwindigkeit von U = 1,8 m/s (dies entspricht einer reduzierten Geschwindigkeit Ur = 5.832 und einer Reynoldszahl von Re = 56520). Zusätzlich wurden Experimente im Windkanal der Ruhruniversität Bochum durchgeführt. Hierbei wurden die Strukturantwort in Form von Beschleunigungen sowie Kräften und Momenten gemessen. Zusätzlich wurde versucht, die Wirbelmuster durch Rauchfäden zu visualisieren. Dabei war das Ziel, den Einfluss von Spitzenwirbeln und 3D-Effekten zu identifizieren.

Für numerische Untersuchungen wurden zwei Funktionsobjekte in der open-source C++ Bücherei OpenFoam implementiert, welche FSI zweidimensionaler Zylinder in maximal zwei Freiheitsgrade simulieren können. Das Funktionsobjekt wurde mit einem Löser für inkompressible Fluide gekoppelt, welcher laminare und turbulente Strömungen berechnen kann. Mit der Anwendung dieser Funktionsobjekt wurde die FSI eines Zylinders mit niedrigem Verhältnis zwischen eigener Masser und verdrängter Masse (mass ratio) untersucht. Zusätzlich wurde der OpenFoam-FSI Löser benutzt, um einen dreidimensionalen Zylinder, welcher in zwei Freiheitsgrade oszilliert, zu simulieren. Der Löser beruht vollständig auf Finite Volumen Methoden. Fluid und Struktur wurden basierend auf Arbitrary Lagrangian-Eulerian Mapping (ALE) Ansätzen gelöst. Die Ergebnisse wurden mit Experimenten und Simulationen aus der kommerziellen Softwares ‚Star-CCM+‘ verglichen.

Beispielergebnisse

Viv 3
Abb.1: Unterschiedliche VIV Versuchsaufbauten: (a) Seitenansicht des Umlauftanks mit dem vollständig eingetauchten Zylinder und der Messtechnik, (b) Draufsicht des Umlauftanks und des Aufbaus für DIC-Messungen, (c) Seitenansicht des Zylinders mit dem LDV-System, (d) Schematische Präsentation des Umlauftanks mit dem Messraster für LDV-Messungen, (e) Schematische Präsentation und Seitenansicht (f) des Aufbaus für PIV-Messungen.

Viv 4
Abb.2: Mediane Bewegungsamplitude in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit betimmt durch DIC- und Beschleunigungsmessungen: (a) teilweise eingetauchter Zylinder, (b) vollständig eingetauchter Zylinder, (c) dreidimensionales Profil der Anströmung für U = 1,8 m/s gemessen mit einem LDV-System, (d) Normalisierte Bahnlinie einer Oszillation und die korrespondierenden Frequenzen der Schwingung bei U = 1,8 m/s (Re = 56520), (e) Visualisierung des Oszillierens in zwei Freiheitsgraden eines Zylinders und des zweidimensionalen Strömungsgebietes mittels PIV bei U = 1,8 m/s.

Viv 5
Abb.3: Numerische Ergebnisse: (a) Zeitlicher Verlauf der normalisieren Schwingung ermittelt mit OpenFoam (Eigenlösung), (b) Bahnlinien der Schwingung, (c) Seitenansicht des Rechengebiets für das Lösen der Schwingung von Zylindern in zwei Freiheitsgraden mit FSI-OpenFoam.

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Video 1: Räumlich aufgelöste Auslenkung eines teilweise eingetauchten Zylinders gemessen mit DIC bei einer Geschwindigkeit von U = 1,62 m/s. Hier ist die Z-Achse die horizontale Achse normal zur Strömungsrichtung [2].

Veröffentlichungen

  • Tödter, S., el Sheshtawy, H., Neugebauer, J., el Moctar, O., & Schellin, T. E. (2021).
    Deformation measurement of a monopile subject to vortex-induced vibration using digital image correlation. 
    Ocean Engineering, 221, 108548.
  • El Shehstawy, H., Changqing, J., el Moctar, O., Schellin, T.E., 2021.
    Numerical investigation of a tidal stream turbine,
    Journal of ships and offshore structure, under review.
  • El Shehstawy, H., el Moctar, 2021.
    Fluid Structure Interaction Investigation of a Circular Cylinder in a Low Reynolds Number,
    Journal of ships and offshore structure, under review.
  • El Sheshtawy, H., Tödter, S., Neugebauer, J., el Moctar, O., & Schellin, T.E.
    Experimental benchmark test cases for Vortex induced vibration of a circular cylinder oscillate in two degrees of freedom, under review
  • El Sheshtawy, H., Youssef, M., Tödter, S., Neugebauer, J., el Moctar, O., & Schellin, T.E.
    Experimental and Numerical Investigation of Vortex-Induced Vibration for a Fully Submerged Oscillating Circular Cylinder in a Circulating Water Channel., ISOPE Accepted.
  • Youssef, M., el Moctar, O., El Sheshtawy, H., Tödter, S., Neugebauer, J., el Moctar, O., & Schellin, T.E.
    Experimental Investigation to Suppress Vortex-Induced Vibration of a Flexible Circular Cylinder., under review.
  • El Sheshtawy, H., Tödter, S., Neugebauer, J., el Moctar, O., & Schellin, T.E.
    PIV measurement of vortex induced vibration of a circular cylinder oscillating in two degrees of freedom., under review. 
  • Tödter, S., El Shehstawy, H., Neugebauer, J., el Moctar, O., 2019.
    Experimental Investigation of Vortex-Induced Vibrations Using 3D-Accelerometry and Digital Image Correlation,
    International Workshop on Ship and Marine Hydrodynamic.
  • El Shehstawy, H., Changqing, J., el Moctar, O., 2019.
    Fluid Structure Interaction Investigation of a Circular Cylinder in a Low Reynolds Number.
    14th OpenFOAM Workshop 2019.
  • Tödter, S., El Shehstawy, H., Neugebauer, J., el Moctar, O., 2019.
    Deformation Measurement of a Pipe Subjected to Vortex Induced Vibration Using Digital Image Correlation.
    Conference Paper, The Sixth International Conference on Advanced Model Measurement Technology for The Maritime Industry.

Projektlaufzeit: 2018 - Förderung


Ismt-logo  Institut für Schiffstechnik, Meerestechnik und Transportsysteme der Universität Duisburg-Essen