Two-dimensional simulation of laminar flow around four two-degree-of-freedom cylindrical cylinders in a rectangular arrangement using random vortex-boundary element method

Authors

Kilometer 5 Of Rasht To Tehran Highway

Abstract

Flow-induced vibration is the effective factor in mechanical destruction of structures that are exposed to fluid flow. In this study, random vortex- boundary element methods (RVM-BEM), is used to simulate two-dimensional laminar fluid flow around four one/two-degrees-of-freedom cylindrical cylinders in a rectangular arrangemen. Hydrodynamic force coefficients, streamlines and cylinder displacements were plotted. The vorticity distribution is separated into blob-vortexes and its changes are studied by tracking these vortexes in the Lagrangian approach by considering two mechanisms of convection and diffusion in each time step. Satisfying no-slip boundary condition, vortex sheets were created on boundary. The cylinder vibrations were modeled as a system of mass, spring, and damper. The results showed that for 1 and 2DoF compared to the stationary cylinder, the average drag coefficient changes are 0.84 and 0.97, respectively. The rear cylinders vibrations amplitude were less than in the front cylinders. The y-amplitude was three times larger than x-amplitude. The maximum x-amplitude vibration of 1DoF cylinders was 1.51 times larger than 2DoF ones. Solving flow over 2DoF single cylinder by BEM(no need for homodis mapping or considering the vortexe images) with a similar solution in Ansys-Fluent software, showed 25% reduction in runtime and 2.3% increase in calculations accuracy.

Keywords

Main Subjects


[1] Lienhard J H (1966) Synopsis of Lift, Drag, and Vortex Frequency Data for Rigid Circular Cylinders. Technical Extension Service, Washington State University.
[2] Chorin A J (1978) Vortex sheet approximation of boundary layers. Computational Physics 27(3): 428-442.
[3] Ghoniem A F, Sherman F S (1985) Grid-free simulation of diffusion using random walk methods. Computational Physics 61(1): 1-37.
[4] Gharakhani A, Ghoniem A (1997) Simulation of Three-Dimensional Internal Flows by the Random Vortex and Boundary Element Methods. ESAIM: Proc. 1
[5] Zhou C Y, So R M C, Lam K (1999) VORTEX-INDUCED VIBRATIONS OF AN ELASTIC CIRCULAR CYLINDER. Fluids and Structures 13(2): 165-189.
[6] دلفانی ش (1384)  شبیه‌سازی عددی جریان در هندسه‌های پیچیده با روش گردابه تصادفی-المان مرزی. وزارت علوم، تحقیقات و فناوری - دانشگاه تربیت مدرس. 
[7] جدیدی ا م, حیدری‌نژاد ق, دلفانی ش (1388). شبیه‌سازی عددی جریان حول استوانه با استفاده از روش جدید تلفیقی گردابه تصادفی - ترکیب گردابه‌ها - المان مرزی. هفدهمین کنفرانس سالانه مهندسی مکانیک. دانشگاه تهران. تهران.
[8] طبری ن غ (1389) شبیه‌سازی سه‌بعدی جریان با روش تلفیقی المان‌گردابه‌ای-المان‌مرزی.  وزارت علوم، تحقیقات و فناوری - دانشگاه تربیت مدرس. 
[9] دزفولی م (1390) شبیه‌سازی عددی ارتعاش ناشی از جریان بر روی دو سیلندر استوانه‌ای نوسانی با روش گردابه تصادفی-المان مرزی.  وزارت علوم، تحقیقات و فناوری - دانشگاه تربیت مدرس. 
[10] Zhao M, & Cheng L (2011) Numerical simulation of two-degree-of-freedom vortex-induced vibration of a circular cylinder close to a plane boundary. Fluids and Structures 27(7): 1097-1110.
[11] زابلی م، ظفرمند ب (1391) تحلیل جریان درهم سیال روی یک، دو و سه استوانه ی متوالی با استفاده از روش ورتکس‌های تصادفی.  علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک، (1)24: 145-133.  
[12] Zhao M, Cheng L (2014) Vortex-induced vibration of a circular cylinder of finite length. Physics of Fluids 26(1): 105-111.
[13] ظفرمند، ب.، نوری، ی. (1393). شبیه سازی جریان آرام و درهم داخل کانال‌های واگرا با استفاده از روش ورتکس‌های تصادفی (RVM) و بررسی تاثیر زاویه واگرایی و عدد رینولدز بر جریان برگشتی درون کانال. علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک (1)26: 34-17.
[14] ظفرمند ب، امیری ح، نوری ی (1395) حل عددی جریان اطراف استوانه دارای مکش با روش عددی گردابه های تصادفی در رینولدز 140000 سومین همایش ملی جریان سیال انتقال حرارت و جرم. موسسه آموزش عالی جامی، اصفهان. 
[15] دزفولی م، حقیقی ا پ، معالی م ا (1397) حل عددی ارتعاش ناشی از جریان روی سیلندر استوانه‌ای با روش گردابه تصادفی - المان مرزی بیست و ششمین کنفرانس سالانه بین‌المللی مهندسی مکانیک. دانشگاه سمنان، سمنان.
[16] دزفولی م، حقیقی ا پ، معالی م ا (1397) حل عددی ارتعاش ناشی از جریان روی دو سیلندر استوانه ای نوسانی با روش گردابه تصادفی مرزی. بیست و ششمین کنفرانس سالانه بین‌المللی مهندسی مکانیک. دانشگاه سمنان، سمنان.
[17] Stock M, Gharakhani A (2020) Open-Source Accelerated Vortex Particle Methods for Unsteady Flow Simulation.
[18] Deng H, Skaugen G, Næss E, Zhang M, Øiseth O A (2021) A novel methodology for design optimization of heat recovery steam generators with flow-induced vibration analysis. Energy 226: 120325.
[19] Nguyen, V L, Nguyen-Thoi T, Duong V D (2021) Characteristics of the flow around four cylinders of various shapes. Ocean Engineering 238: 109690.
[20] Gómez H A, Narváez G F, Schettini E B (2022) Vortex induced vibration of four cylinders configurations at critical spacing in 0° and 45° flow incidence angle. Ocean Engineering 252: 111134.
[21] Gu J, Fernandes A C, Han X, Kuang X, Chen W (2022) Numerical investigation of Reynolds number effects on vortex-induced vibrations at low and moderate Re regimes. Ocean Engineering 245: 110535.
[22] Jamshidi S, Haghighi Poshtiri A, Maali M E (2022) Numerical simulation of flow-induced vibration of the two-degree-of-freedom circular cylinder by random vortex-boundary element method. Ocean Engineering 262: 112276.
[23] Jamshidi S, Haghighi Poshtiri A, Maali M E (2023) Numerical simulation of flow-induced vibration of the one-degree-of-freedom circular cylinder using random vortex-boundary element method at turbulent flow. The Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering: 45(2): 125.
[24] Dehkordi B G, Moghaddam H S, Jafari H (2011) Numerical Simulation of Flow Over Two Circular Cylinders in Tandem Arrangement. Hydrodynamics 23(1): 114-126.
[25] Moghaddam H S, Nooredin N, Dehkordi B G (2011) Numerical simulation of flow over two side-by-side circular cylinders. Hydrodynamics, Ser. B 23(6): 792-805.
[26] Meneghini J R, Saltara F, Siqueira C R (2000) Numerical Simulation of Vortex Shedding from an Oscillating Circular Cylinder using a Discrete Vortex Method. WORLD SCIENTIFIC In Vortex Methods 63-73.
[27] Khalak A, Williamson C H K (1997) Fluid forces and dynamics of a hydroelastic structure with very low mass and damping. Fluids Struct 11(8): 973.
[28] Kang S (2003) Characteristics of flow over two circular cylinders in a side-by-side arrangement at low Reynolds numbers. Phys. Fluid 15:2486.
[29] W. H C, Roshko A (1988) Vortex formation in the wake of an oscillating cylinder. Fluids Struct. 2: 355.