Modellering af hvirvler i en havstrøm omkring to cylindre kan hjælpe marine-offshore-ingeniører med at designe bedre stigrør. Kredit:A*STAR Institute of High Performance Computing
A*STAR-forskere har udviklet en model, der kan simulere de komplicerede kræfter, der udøves af strømmende vand på en række cylindre, der understøtter vandbårne strukturer såsom olieplatforme. Arbejdet demonstrerer anvendeligheden af numeriske simuleringer til at undersøge komplekse fysiske scenarier i den virkelige verden.
Når man designer en off-shore platform, ingeniører skal være i stand til at forudsige, hvordan det vil blive påvirket af bevægelsen af det omgivende havvand. Som cylindriske strukturer såsom varmevekslere, skorstensrør og stigrør, er almindeligvis indsat på det punkt, hvor platformene kommer ind i havet, det er afgørende at forstå de kræfter, der udøves på dem af strømmende vand under varierende havforhold.
Vand, der flyder rundt om en enkelt cylinder, skaber oscillerende hvirvler - hvirvlende vandstrømme. Denne såkaldte hvirvelafgivelse kan forårsage vibrationer i strukturen. Disse når typisk en maksimal amplitude, når strømningshastigheden er sådan, at den hvirvelafgivende oscillationsfrekvens er tæt på strukturens naturlige mekaniske frekvens; dette er også kendt som indlåsningsfrekvensen.
Imidlertid, i tilfælde af flere tæt anbragte cylindre, interaktioner mellem strømmene omkring tilstødende cylindre skaber også vibrationer. Påvirkningen af disse wake-inducerede vibrationer er dårligt forstået, og der er endnu ikke udviklet en sammenhængende teori for dem.
Nu, Vinh-Tan Nguyen, Wai Hong Ronald Chan og Hoang Huy Nguyen fra A*STAR Institute of High Performance Computing har brugt en beregningsmæssig væskedynamiktilgang til at modellere wake-inducerede vibrationer under forskellige strømningsforhold.
Holdet bruger en numerisk model for væske-struktur interaktioner, som tager højde for de koblede virkninger af hvirvler på strukturresponser og omvendt. De testede pålideligheden af deres tilgang ved at sammenligne den numeriske forudsigelse med resultaterne af to nyere eksperimentelle undersøgelser. Aftalen var rimelig god, og simuleringen var i stand til at forudsige den empiriske observation, at øget strømningshastighed fører til vibrationer med højere amplitude. Især i modsætning til tilfældet med en enkelt cylinder, responsamplituden forbliver stor, når strømningshastigheden stiger, selv væk fra indlåsningsfrekvensen. Dette fænomen er et problem for stigrør udsat i dybhavsforhold i et tandem-arrangement.
"Vi arbejder på en bedre forståelse af disse fænomener fra et mere detaljeret væskedynamisk perspektiv, " siger Vinh-Tan Nguyen. "I sidste ende vil vi gerne karakterisere denne adfærd fuldt ud og give et effektivt værktøj til ingeniører til bedre at designe stigrør og offshore-strukturer under lignende forhold."