< Terug naar vorige pagina
Project
Wind-Structure Interaction Simulations of Ovalling Vibrations in Silo Groups (Windstructuurinteractiesimulaties van ovaliserende trillingen in silogroepen)
De toenemende trend in burgerlijke bouwkunde om steeds hogere wolkenkrabbers en langere bruggen met lichte materialen te bouwen, heeft ertoe geleid dat structuren vaak heel gevoelig zijn aan windgeïnduceerde trillingen. Tijdens het ontwerpproces wordt de aeroelastische veiligheid nochtans vaak niet in rekening gebracht. Terwijl de ontworpen structurenperfect voldoen aan standaard ontwerpbelastingen, zijn die vaak niet aerodynamisch geoptimaliseerd. Er zijn dan ook heel wat voorbeelden bekendwaar windgeïnduceerde trillingen tot het falen van de structuur hebben geleid.
Windgeïnduceerde trillingen kunnen veroorzaakt worden door enerzijds gedwongen excitatie of anderzijds aeroëlastische effecten. In het eerste geval ontstaan er gedwongen trillingen door de aanwezigheid van turbulente fluctuaties in de windstroming rondom de structuur, bv. door natuurlijke turbulentie in de aankomende windstroming of opgewekt door periodische wervelafscheiding in het zog van de structuur. De tweede, aeroëlastische fenomenen zijn typisch zelfgeëxciteerd en ontstaan door verplaatsingen van de structuur die vervolgens interageren met dewindstroming. Het moet benadrukt worden dat het vaak onmogelijk is om één specifiek excitatiemechanisme aan te duiden als oorzaak van geöbserveerde windgeïnduceerde trillingen omdat een combinatie van verschillende fenomenen hier vaak aan de basis van ligt. In ontwerpcodes wordt nochtans meestal enkel gedwongen excitatie beschouwd. Het is dan ook belangrijk om geavanceerde technieken te ontwikkelen die alle verschillende excitatiemechanismen tegelijk in rekening kunnen brengen om windgeïnduceerde trillingen te onderzoeken.
Om de gevoeligheid van een structuur voor dergelijke windgeïnduceerde fenomenen te bestuderen, moet een gekoppeld multifysica probleem opgelost worden waarin zowel de dynamica van de windstroming als van de structuur beschouwd wordt. Door de complexiteit van dergelijke problemen, zijn vereenvoudigde fenomenologische en experimentele modellen vaak ontoereikend terwijl numerieke methodeshet voordeel hebben dat alle mogelijks interagerende excitatiemechanismen tegelijk beschouwd kunnen worden. Omdat er procedures beschikbaar zijn om numerieke modellen te koppelen voor de windstroming enerzijds, dit is het domein van de numerieke stromingsmechanica (computational fluid dynamics</>, CFD) en de structuur anderzijds, bv. eindige elementen (finite elements</>, FE) modellen, is het in principe mogelijk om wind-structuur interactie (WSI) numeriek te bestuderen. Het doel van deze thesis is daarom om te onderzoeken of numerieke simulaties geobserveerde windgeïnduceerde trillingen correct kunnen voorspellen voor een realistisch, complex WSI probleem. Het specifieke geval van een silogroep wordt daarom beschouwd waarin windgeïnduceerde ovaliserende trillingen waargenomen werden tijdens een storm in oktober 2002 op enkele lege silo's in eengroep van veertig silo's in de haven van Antwerpen (België). Er wordt nagegaan of het nodig is om ingewikkelde numerieke WSI simulaties uit te voeren voor dit probleem.
Eerst wordt onderzocht met zowel 2D als 3D CFD simulaties hoe turbulente fluctuaties in natuurlijkeatmosferische windstromingen gesimuleerd kunnen worden en of die behouden worden in de stromingsberekening. In de 2D simulaties is het niet mogelijk om realistische turbulentieniveau's in de aankomende windstroming te simuleren maar de berekeningen laten wel toe om de invloed van effecten in het zog van de silogroep op de aerodynamische drukken te bestuderen voor een veranderlijke invalshoek van de windstroming aangezien deze simulaties veel minder rekenintensief zijn. In de 3D simulaties wordt de turbulente windstroming realistischer gemodelleerd hoewel er eveneens enige moeilijkheden ondervonden worden voor het behoud van de turbulentieniveau's in de aankomende windstroming.
Als gevolg van de bijzondere geometrie van de silogroep en de sterk turbulente windstroming is het moeilijk om de simulatieresultaten te valideren. Naastde silogroep wordt daarom ook de stroming rond een enkele silo beschouwd. De goed gedocumenteerde 2D stroming rond een enkele cilinder wordt dan gevalideerd met resultaten uit de literatuur terwijl een windtunneltest opgezet wordt voor de configuratie met een enkele silo om de 3D windstromingssimulaties te valideren. De invloed van obstructieëffecten (blockage effects</>) in het experiment wordt onderzocht en de drukverdeling op het oppervlak van de silo vertoont een behoorlijk goede overeenkomst tussen experiment en simulatie. Kwalitatieve validatie wordt eveneens gedaan waar mogelijk voor de silogroep door het stromingspatroon te vergelijken met de stroming door geometrisch gelijkaardige structuren zoals de stroming tussen cilindrische staven in een warmtewisselaar of de stroming rondom een prismatisch object op een vlakke plaat.
De typische ovaliserende eigenmodes van een silo worden bepaald met een FE model van de structuur waarna de modale projectie van de aerodynamische drukverdelingen uit de 2D en 3D CFD simulaties bepaald wordt. Dezeaanpak laat toe om in te schatten op welke locaties in de silogroep ovaliserende trillingen opgewekt zouden kunnen worden door de rechtstreekseimpact van de transiënte windbelasting. Voor alle invalshoeken van de wind in de 2D simulaties wordt een harmonische decompositie voorgesteld als alternatief voor de 3D modale projectie. Het effect van de verschillende benaderingen voor de turbulentiemodellering in de 2D en 3D CFD simulaties is belangrijk. Terwijl de 2D simulaties duidelijk ongeschikt zijn voor de huidige doeleinden, wordt de locatie van ovaliserende trillingenin de silogroep behoorlijk goed voorspeld in de 3D simulaties.
Tenslotte wordt het FE model van de structuur samen met de 3D CFD windstromingssimulaties beschouwd als één probleem. Om het belang van WSI voor de voorspelling van ovaliserende trillingen te beoordelen, wordt de structuurrespons op extern aangelegde aerodynamische krachten eerst rechtstreeks berekend in gekoppelde éénrichtingssimulaties. De aangelegde transiënte windbelastingen zijn a priori bepaald in de 3D CFD simulaties. In deze benadering wordt dus enkel gedwongen excitatie beschouwd als mogelijk excitatiemechanisme voor de windgeïnduceerde trillingen. In gekoppelde tweerichtingssimulaties daarentegen wordt de interactietussen de numerieke structuur- en windstromingsmodellen in rekening gebracht door in elke tijdstap informatie uit te wisselen op de interface tussen beide domeinen. Aeroëlastische fenomenen worden aldus ook beschouwd in deze methode. Zowel éénrichtings- als tweerichtingssimulaties worden uitgevoerd voor de configuratie met een enkele silo en voor de volledige silogroep. De structuurrespons in de verschillende gekoppelde simulaties wordt vergeleken aan de hand van modale vervormingsenergie om aan te geven in welke mate bepaalde eigenmodes geëxciteerd worden. In de modale vervormingsenergie van de structuurrespons kunnen verschillende frequentiecomponenten duidelijk worden onderscheiden die gerelateerd zijnaan fysische fenomenen in de windstroming.
Na een kwalitatieve vergelijking van de resultaten van de éénrichtings- en tweerichtingssimulaties, is het niet mogelijk om met zekerheid te besluiten of de ovaliserende trillingen van een enkele silo door gedwongen excitatie veroorzaakt worden of als aeroëlastische effecten hiervoor belangrijk zijn. Omdat de WSI simulaties op de limiet zitten van wat rekentechnisch praktisch haalbaar is op vandaag, konden geen roosteronafhankelijke oplossingen gevonden worden. Desondanks geven de resultaten van lage resolutie simulaties voor de silogroep duidelijk aan dat aeroëlastische effecteneen belangrijke impact hebben op de structuurrespons van de silo's. Er kan daarom besloten worden dat ingewikkelde en roosteronafhankelijke WSIsimulaties in het algemeen noodzakelijk zijn om de aanzet van ovaliserende trillingen in silogroepen realistisch te kunnen voorspellen met numerieke technieken.
Windgeïnduceerde trillingen kunnen veroorzaakt worden door enerzijds gedwongen excitatie of anderzijds aeroëlastische effecten. In het eerste geval ontstaan er gedwongen trillingen door de aanwezigheid van turbulente fluctuaties in de windstroming rondom de structuur, bv. door natuurlijke turbulentie in de aankomende windstroming of opgewekt door periodische wervelafscheiding in het zog van de structuur. De tweede, aeroëlastische fenomenen zijn typisch zelfgeëxciteerd en ontstaan door verplaatsingen van de structuur die vervolgens interageren met dewindstroming. Het moet benadrukt worden dat het vaak onmogelijk is om één specifiek excitatiemechanisme aan te duiden als oorzaak van geöbserveerde windgeïnduceerde trillingen omdat een combinatie van verschillende fenomenen hier vaak aan de basis van ligt. In ontwerpcodes wordt nochtans meestal enkel gedwongen excitatie beschouwd. Het is dan ook belangrijk om geavanceerde technieken te ontwikkelen die alle verschillende excitatiemechanismen tegelijk in rekening kunnen brengen om windgeïnduceerde trillingen te onderzoeken.
Om de gevoeligheid van een structuur voor dergelijke windgeïnduceerde fenomenen te bestuderen, moet een gekoppeld multifysica probleem opgelost worden waarin zowel de dynamica van de windstroming als van de structuur beschouwd wordt. Door de complexiteit van dergelijke problemen, zijn vereenvoudigde fenomenologische en experimentele modellen vaak ontoereikend terwijl numerieke methodeshet voordeel hebben dat alle mogelijks interagerende excitatiemechanismen tegelijk beschouwd kunnen worden. Omdat er procedures beschikbaar zijn om numerieke modellen te koppelen voor de windstroming enerzijds, dit is het domein van de numerieke stromingsmechanica (computational fluid dynamics</>, CFD) en de structuur anderzijds, bv. eindige elementen (finite elements</>, FE) modellen, is het in principe mogelijk om wind-structuur interactie (WSI) numeriek te bestuderen. Het doel van deze thesis is daarom om te onderzoeken of numerieke simulaties geobserveerde windgeïnduceerde trillingen correct kunnen voorspellen voor een realistisch, complex WSI probleem. Het specifieke geval van een silogroep wordt daarom beschouwd waarin windgeïnduceerde ovaliserende trillingen waargenomen werden tijdens een storm in oktober 2002 op enkele lege silo's in eengroep van veertig silo's in de haven van Antwerpen (België). Er wordt nagegaan of het nodig is om ingewikkelde numerieke WSI simulaties uit te voeren voor dit probleem.
Eerst wordt onderzocht met zowel 2D als 3D CFD simulaties hoe turbulente fluctuaties in natuurlijkeatmosferische windstromingen gesimuleerd kunnen worden en of die behouden worden in de stromingsberekening. In de 2D simulaties is het niet mogelijk om realistische turbulentieniveau's in de aankomende windstroming te simuleren maar de berekeningen laten wel toe om de invloed van effecten in het zog van de silogroep op de aerodynamische drukken te bestuderen voor een veranderlijke invalshoek van de windstroming aangezien deze simulaties veel minder rekenintensief zijn. In de 3D simulaties wordt de turbulente windstroming realistischer gemodelleerd hoewel er eveneens enige moeilijkheden ondervonden worden voor het behoud van de turbulentieniveau's in de aankomende windstroming.
Als gevolg van de bijzondere geometrie van de silogroep en de sterk turbulente windstroming is het moeilijk om de simulatieresultaten te valideren. Naastde silogroep wordt daarom ook de stroming rond een enkele silo beschouwd. De goed gedocumenteerde 2D stroming rond een enkele cilinder wordt dan gevalideerd met resultaten uit de literatuur terwijl een windtunneltest opgezet wordt voor de configuratie met een enkele silo om de 3D windstromingssimulaties te valideren. De invloed van obstructieëffecten (blockage effects</>) in het experiment wordt onderzocht en de drukverdeling op het oppervlak van de silo vertoont een behoorlijk goede overeenkomst tussen experiment en simulatie. Kwalitatieve validatie wordt eveneens gedaan waar mogelijk voor de silogroep door het stromingspatroon te vergelijken met de stroming door geometrisch gelijkaardige structuren zoals de stroming tussen cilindrische staven in een warmtewisselaar of de stroming rondom een prismatisch object op een vlakke plaat.
De typische ovaliserende eigenmodes van een silo worden bepaald met een FE model van de structuur waarna de modale projectie van de aerodynamische drukverdelingen uit de 2D en 3D CFD simulaties bepaald wordt. Dezeaanpak laat toe om in te schatten op welke locaties in de silogroep ovaliserende trillingen opgewekt zouden kunnen worden door de rechtstreekseimpact van de transiënte windbelasting. Voor alle invalshoeken van de wind in de 2D simulaties wordt een harmonische decompositie voorgesteld als alternatief voor de 3D modale projectie. Het effect van de verschillende benaderingen voor de turbulentiemodellering in de 2D en 3D CFD simulaties is belangrijk. Terwijl de 2D simulaties duidelijk ongeschikt zijn voor de huidige doeleinden, wordt de locatie van ovaliserende trillingenin de silogroep behoorlijk goed voorspeld in de 3D simulaties.
Tenslotte wordt het FE model van de structuur samen met de 3D CFD windstromingssimulaties beschouwd als één probleem. Om het belang van WSI voor de voorspelling van ovaliserende trillingen te beoordelen, wordt de structuurrespons op extern aangelegde aerodynamische krachten eerst rechtstreeks berekend in gekoppelde éénrichtingssimulaties. De aangelegde transiënte windbelastingen zijn a priori bepaald in de 3D CFD simulaties. In deze benadering wordt dus enkel gedwongen excitatie beschouwd als mogelijk excitatiemechanisme voor de windgeïnduceerde trillingen. In gekoppelde tweerichtingssimulaties daarentegen wordt de interactietussen de numerieke structuur- en windstromingsmodellen in rekening gebracht door in elke tijdstap informatie uit te wisselen op de interface tussen beide domeinen. Aeroëlastische fenomenen worden aldus ook beschouwd in deze methode. Zowel éénrichtings- als tweerichtingssimulaties worden uitgevoerd voor de configuratie met een enkele silo en voor de volledige silogroep. De structuurrespons in de verschillende gekoppelde simulaties wordt vergeleken aan de hand van modale vervormingsenergie om aan te geven in welke mate bepaalde eigenmodes geëxciteerd worden. In de modale vervormingsenergie van de structuurrespons kunnen verschillende frequentiecomponenten duidelijk worden onderscheiden die gerelateerd zijnaan fysische fenomenen in de windstroming.
Na een kwalitatieve vergelijking van de resultaten van de éénrichtings- en tweerichtingssimulaties, is het niet mogelijk om met zekerheid te besluiten of de ovaliserende trillingen van een enkele silo door gedwongen excitatie veroorzaakt worden of als aeroëlastische effecten hiervoor belangrijk zijn. Omdat de WSI simulaties op de limiet zitten van wat rekentechnisch praktisch haalbaar is op vandaag, konden geen roosteronafhankelijke oplossingen gevonden worden. Desondanks geven de resultaten van lage resolutie simulaties voor de silogroep duidelijk aan dat aeroëlastische effecteneen belangrijke impact hebben op de structuurrespons van de silo's. Er kan daarom besloten worden dat ingewikkelde en roosteronafhankelijke WSIsimulaties in het algemeen noodzakelijk zijn om de aanzet van ovaliserende trillingen in silogroepen realistisch te kunnen voorspellen met numerieke technieken.
Datum:1 okt 2009 → 19 sep 2013
Trefwoorden:Structural dynamics, Fluid-structure interaction
Disciplines:Structurele ingenieurskunde, Andere burgerlijke ingenieurswetenschappen en bouwkunde
Project type:PhD project