Three-dimensional nonlinear dynamics of cantilevered cylinders in axial flow

This thesis deals with the theoretical study of the linear and nonlinear dynamics of a slender flexible cantilevered cylindrical structure subjected to external axial water and air flows, of interest because of several important practical applications such as nuclear reactor fuel-element bundles, double pipe heat exchangers, and angioplasty. Lack of knowledge to account for the three-dimensional behaviour, important in the above-mentioned practical applications, was the motivation behind the present work. The theoretical results were obtained in the form of the amplitudes and frequencies of the instabilities, as well as the critical flow velocities at which these instabilities occurred. Experiments were conducted to validate and complement the theoretical results for water flow. The results obtained from the experiments were presented in the form of dimensionless mean displacements, their corresponding root mean square values, and frequencies as a function of dimensionless flow velocity. Finally, the path traced by the oscillating cylinder was mapped. In fluid-structure interaction problems, the fluid forces such as the inviscid hydrodynamic forces, the frictional or viscous forces, and the hydrostatic or pressure forces acting on the flexible structure play a vital role in defining the dynamics of the system. Therefore, a precise calculation of the force coefficients, such as longitudinal and normal viscous coefficients, base drag coefficient, and zero-flow normal force coefficient present in the equations of motion associated to the above mentioned fluid forces, is imperative. These presently calculated force coefficients were then incorporated in the linear and nonlinear equations of motion and solved to obtain the response of the cylinder in water flow. The response of the system from the linear model in air flow was also obtained. The effect of confinement on the linear dynamics was also studied. A nonlinear three-dimensional cantilevered cylinder model was also created and simulated in a commercially available finite element modeling and simulation package, namely ADINA, in order to complement the results obtained from the linear and nonlinear models. The results of the ADINA simulations were obtained in water as well as air flows.Experimental results validated the analytical and numerical model results. The results, thus obtained, are expected to play an important role in improving the above-mentioned engineering and medical applications to ensure operation below critical flow conditions.Cette thèse traite de la dynamique linéaire et non linéaire d'une structure mince et flexible dans un écoulement axial d'eau ou d'air. Ce sujet a des applications importantes, par exemple en ce qui concerne les vibrations des faisceaux d'éléments combustibles dans les réacteurs nucléaires, les échangeurs de chaleur et l'angioplastie. Le manque de connaissances sur le comportement tridimensionnel de la structure mince dans les applications mentionnées ci-haut a motivé la recherche présentée dans cette thèse. Les résultats théoriques donnent les vitesses d'écoulement critiques pour le déclenchement des instabilités fluide-élastiques, ainsi que les amplitudes et fréquences associées à ces instabilités. Des expériences ont été menées afin de valider et de compléter les résultats théoriques pour des écoulements d'eau. Les résultats obtenus à partir des expériences sont présentés sous la forme de moyennes de déplacements adimensionnels 'root-mean-square', et les fréquences en fonction de la vitesse d'écoulement adimensionnelle. Enfin, la forme tracée par le cylindre oscillant a été cartographiée.Dans les problèmes d'interaction fluide-structure, les forces de fluide, telles que les forces hydrodynamiques non visqueuses, les forces associées au frottement, et les forces hydrostatiques et de pression agissant sur la structure souple jouent un rôle vital sur la dynamique du système. Par conséquent, un calcul précis des coefficients de ces forces est impératif dans les équations de mouvement associés aux forces fluides mentionnées ci-dessus, tels que les coefficients longitudinales et normales visqueux, le coefficient de traînée de base, et le coefficient de force normale dans un fluide stagnant. Ces coefficients de force actuellement calculés ont ensuite été intégrés dans les équations linéaires et non linéaires du mouvement, et les équations ont été résolues pour obtenir la réponse du cylindre dans l'écoulement d'eau. La réponse du système à partir du modèle linéaire d'un écoulement d'air a également été obtenu. L'effet du confinement sur la dynamique linéaire a aussi été étudié.Un modèle de cylindre en porte à faux tridimensionnel non linéaire a également été créé et simulé dans un logiciel de modélisation par éléments finis et de simulation un logiciel commercial, à savoir ADINA, afin de compléter les résultats obtenus à partir de modèles linéaires et non linéaires. Les résultats des simulations de ADINA ont été obtenus pour des écoulements d'eau, ainsi que des écoulements d'air.Les résultats expérimentaux ont validé les résultats des modèles analytique et numérique. Les résultats ainsi obtenus sont appelés à jouer un rôle important dans l'amélioration des techniques et applications industrielles et médicales mentionnées ci-dessus pour assurer un fonctionnement au dessous des conditions d'écoulement critiques