مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تحلیل عددی نوسانات صفحه منعطف متصل به انتهای جسم صلب در جریان لزج تراکم‌پذیر با استفاده از شبیه‌سازی سه‌بعدی اندرکنش سیال- سازه

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه علوم هوایی، پژوهشکده علوم و فناوری هوایی، پژوهشگاه هوافضا، تهران، ایران
چکیده
در این مقاله به تحلیل نوسانات یک نوار باریک بسیار انعطاف‌پذیر متصل به جسم سه‌بعدی که در معرض جریان سیال لزج فروصوت قرار دارد، پرداخته شده است. هدف تحلیل تداخل سازه و سیال با استفاده از الگوریتم ترکیبی مناسب است که بتواند بخش حل سیال و حل سازه را بخوبی با هم ترکیب نموده و تبادل اطلاعات مناسبی را تامین نماید. برای حل جریان سیال از یک حلگر دینامیک سیالات محاسباتی استفاده شده و تحلیل سازه توسط مدل تیر یک سردرگیر اویلر- برنولی صورت گرفته است. برای تحلیل اندرکنش سیال- سازه، الگوریتم ترکیبی چند بخشی تکراری برای برقراری ارتباط و تبادل اطلاعات میان بخش‌های سیال و سازه به‌کارگیری‌شده و شبیه‌سازی انجام شده است. در ادامه با توجه به عددهای سختی خمشی مختلف و جرم‌های متفاوت نوار باریک، نتایج و نمودارهای مربوط به مشخصات نوسان شامل دامنه و فرکانس، همچنین تغییرات نیرو و گشتاور ناشی از نوسانات ارائه شده است. تحلیل در هر دو حالت دوبعدی و سه‌بعدی انجام شده است که حالت سه‌بعدی شامل یک استوانه و نوار باریک انعطاف‌پذیر متصل به آن است. نتایج حاصل نشان می‌دهد که چارچوب محاسباتی توسعه یافته به خوبی فیزیک حاکم بر مساله اندرکنش سیال- سازه را تسخیر نموده است. همچنین مطالعه پارامتری نشان می‌دهد که برای نوار باریک منعطف متصل به جسم در رژیم جریان مورد مطالعه سه حالت تغییرشکل استاتیک، نوسان پایدار و ناپایداری آشوبناک (تقریبا ۱۰۶E<) رخ خواهد داد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Analysis of Oscillations of Flexible Strip Attached to Rigid Body in Compressible Viscous Flow via 3D Fluid-Structure Interaction Simulation

نویسندگان English

A. Kiani
M. Mohammadi Amin
Aerial Sciences Department, Aerial Science & Technology Research Center, Aerospace Research Institute, Tehran, Iran
چکیده English

In this paper, oscillations of a thin high flexible strip attached to a three-dimensional body in viscous subsonic flow were simulated. The aim is to analyze the interactions of fluid and structure using a proper coupling algorithm that can couple the fluid and structure solvers and provide the proper data exchange between them. A computational fluid dynamics solver is used for fluid flow simulation and Euler-Bernoulli cantilevered beam model is used for structural analysis. For analyzing the fluid-structure interaction, iterative partitioned coupling algorithm is used for interrelation and data exchange between structure and fluid. Then, the results of vibration characteristics including the amplitude and frequency and forces and moments variations are presented with respect to different bending stiffness and strip masses. The simulation is done in 2D and 3D conditions which 3D case is for a cylinder and flexible strip attached to the bottom of the body. Results show that the developed framework captures the physics of fluid-structure interaction successfully. Also, parametric study shows that for the flexible thin strip attached to the end of the body in the specified regime of flow, three deformation types consist of static deformation, stable oscillations, and chaotic unstable oscillations will occur based on the strip characteristics.

کلیدواژه‌ها English

Fluid-Structure Interaction
Viscous Flo
Numerical simulation
Beam theory
Coupling Algorithm
Melzig HD, Saliaris C. Pressure distribution during parachute opening- phase II finite mass operating case [Report]. Ohio: United States Air Force Flight Dynamics Laboratory; 1968 February. Report No.: AFFDL-TR-68-135. [Link]
Peterson CW, Strickland JH, Higuchi H. The fluid dynamics of parachute inflation. Annual Review of Fluid Mechanics. 1996;28(1):361-387. [Link] [DOI:10.1146/annurev.fl.28.010196.002045]
Levin D, Daser G, Shpund Z, Levin D, Daser G, Shpund Z. On the aerodynamic drag of ribbons. 14th Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference, 1997 June 3-5, San Francisco, California. Reston: AIAA; 1997. p. 1525. [Link] [DOI:10.2514/6.1997-1525]
Auman LM, Wayne Dahlke C, Purinton DC. Aerodynamic characteristics of ribbon stabilized grenades. 38th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2000 January 10-13, Reno, Nevada. Reston: AIAA; 2000. p. 270. [Link] [DOI:10.2514/6.2000-270]
Casadei F, Halleux JP, Sala A, Chille F. Transient fluid-structure interaction algorithms for large industrial applications. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2001;190(24-25):3081-3110. [Link] [DOI:10.1016/S0045-7825(00)00383-2]
Auman LM, Wilks BL. Application of fabric ribbons for drag and stabilization. 18th AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference and Seminar, 2005 May 23-26, Munich, Germany. Reston: AIAA; 2005. p. 1618. [Link] [DOI:10.2514/6.2005-1618]
Hou G, Wang J, Layton A. Numerical methods for fluid-structure interaction-a review. Communications in Computational Physics. 2012;12(2):337-377. [Link] [DOI:10.4208/cicp.291210.290411s]
Balde B, Etienne J. The flapping of a flag. Numerical investigation of a Kelvin-Helmholtz type instability. Congrès Français De Mécanique, 2011, 29 August-2 September, Besançon, France. Rue Louis Blanc: AFM, Maison de la Mécanique; 2011. [Link]
Ait Abderrahmane H, Paidoussis MP, Fayed M, Ng HD. Flapping dynamics of a flexible filament. Physical Review E. 2011;84(6):066604. [Link] [DOI:10.1103/PhysRevE.84.066604]
Auman LM, Wayne Dahlke C. Drag characteristics of ribbons. 16th AIAA Aerodynamic Decelerator Systems Technology Conference and Seminar, 2001 May 21-24, Boston, Massachusetts, USA. Reston: AIAA; 2001. [Link] [DOI:10.2514/6.2001-2011]
Kumar V, Udoewa V. Fluid-structure interaction techniques for parachute. In: Hector Juarez L, editor. Fluid dynamics, computational modeling and applications. Norderstedt: Books on Demand; 2012. [Link] [DOI:10.5772/28526]
Yu Z, Wang Y, Shao X. Numerical simulation of the flapping of a three-dimensional flexible plate in uniform flow. Journal of Sound and Vibration. 2012;331(20):4448-4463. [Link] [DOI:10.1016/j.jsv.2012.05.009]
Favier J, Revell A, Pinelli A. A Lattice Boltzmann-Immersed Boundary method to simulate the fluid interaction with moving and slender flexible objects. Journal of Computational Physics. 2014;261:145-161. [Link] [DOI:10.1016/j.jcp.2013.12.052]
Virot E, Amandolese X, Hémon P. Fluttering flags: An experimental study of fluid forces. Journal of Fluids and Structures. 2013;43:385-401. [Link] [DOI:10.1016/j.jfluidstructs.2013.09.012]
Gibbs SC, Fichera S, Zanotti A, Ricci S, Dowell EH. Flow field around the flapping flag. Journal of Fluids and Structures. 2014;48:507-513. [Link] [DOI:10.1016/j.jfluidstructs.2014.02.011]
Wang E, Xiao Q. Numerical simulation of vortex-induced vibration of a vertical riser in uniform and linearly sheared currents. Ocean Engineering. 2016;121:492-515. [Link] [DOI:10.1016/j.oceaneng.2016.06.002]
Dobrucali E, Kinaci OK. URANS-based prediction of vortex induced vibrations of circular cylinders. Journal of Applied Fluid Mechanics. 2017;10(3):957-970. [Link] [DOI:10.18869/acadpub.jafm.73.240.27339]
Stabile G, Matthies HG, Borri C. A novel reduced order model for vortex induced vibrations of long flexible cylinders. Ocean Engineering. 2018;156:191-207. [Link] [DOI:10.1016/j.oceaneng.2018.02.064]
Rao SS. Vibration of continuous systems. Hoboken: John Wiley & Sons; 2007. [Link]
Farhat C, Lesoinne M. Two efficient staggered algorithms for the serial and parallel solution of three-dimensional nonlinear transient aeroelastic problems. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2000;182(3-4):499-515. [Link] [DOI:10.1016/S0045-7825(99)00206-6]
Bazilevs Y, Takizawa K, Tezduyar TE. Computational fluid-structure interaction: Methods and applications. Hoboken: John Wiley & Sons; 2013. [Link] [DOI:10.1002/9781118483565]
Hübner B, Walhorn E, Dinkler D. A monolithic approach to fluid-structure interaction using space-time finite elements. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2004;193(23-26):2087-2104. [Link] [DOI:10.1016/j.cma.2004.01.024]