Numerical Simulation Flow Analyses around a Cylinder under Transversal and Eight Trajectories

Abstract

This work aims to study a two-dimensional incompressible flow around a cylinder in forced movement in order to understand the phenomena that occur in cylindrical structures under periodic oscillation using the Direct Numerical Simulation technique. The simulations were taken using the computational code named Incompact3d. It was used the Reynolds Number as 400 in all simulations. The trajectories transversal and eight shapes were simulated for a range of displacement amplitude. The Navier-Stokes and continuity equations were used to discretize the flow in a Cartesian mesh. It was used the third-order RungeKutta scheme with low-storage for the pass-time and the body was represented by the virtual boundary method. The temporal mean of the drag and lift coefficients and vortex shedding mode were computed. The results show large variations of the mean lift coefficient with the amplitude displacement for all trajectories, and so altering the vortex shedding mode. The 2S mode was observed for simulations with transversal trajectories, except for amplitude of 0.55D, which presented the 2P mode. Simulations with eight trajectory presented 2P mode in most cases, and for certain amplitudes the periodic shedding modes were not observed. I. INTRODUÇÃOO escoamento ao redor de cilindros tem sido abordado por diversos pesquisadores pelo fato da geometria cilíndrica ser de fácil implementação experimental e numérica, além de ter uma vasta aplicação.Escoamentos turbulentos ao redor de obstáculos produzem fenômenos como esteira de vórtices e forças hidrodinâmicas sobre esses obstáculos. Quandoé imposta uma determinada trajetória ao cilindro, os padrões da esteira de vórtices e as forças sobre este podem ser alteradas significativamente. A vibração induzida por vórtices ocorre com frequência em estruturas como os risers (Fig. 1), condutos responsáveis pela captação de petróleo do fundo do oceano e transporte até a plataforma. Este fenômeno pode provocar oscilações, causando danos ao equipamento. Vários trabalhos têm sido realizados utilizando DNS graçasà evolução das ferramentas Fig. 1: Risers, condutos transportadores de petróleo. Fonte:de cálculo e métodos numéricos, pois a solução das equações que descrevem os escoamentos precisa de computadores poderosos como os que existem hoje. Este trabalho tem por objetivo estudar o escoamento bidimensional ao redor de um cilindro em movimento forçado, com trajetórias transversal e em oito, bem como analisar as forças hidrodinâmicas e o padrão de vórtices que se desprendem. II. METODOLOGIA A. Configuração do EscoamentoPara realizar as simulações foi usado o código fonte Incompact3d [1], capaz de simular escoamentos turbulentos tridimensionais ao redor de obstáculos. O cilindroé forçado a percorrer dois tipos de trajetórias: uma transversal e a outra em "8" (oito), nas quais as amplitudes de movimento do cilindro são A x (no sentido do escoamento principal) e A y (transversal ao escoamento principal), mostradas na Fig. 2. Ambas amplitudes são quantificadas em diâmetros de cilindro, "D". O es...