Vortex induced vibrations of a single cylinder

El objetivo principal de este trabajo es analizar el fenómeno de las vibraciones generadas por el desprendimiento de vórtices alternos que se forman cuando un fluido fluye alrededor de una estructura cilíndrica. Esto se conoce como vibraciones inducidas por vórtices (VIV). El enfoque de este estudio es la respuesta de un cilindro circular en un flujo estable e inestable (Re = 20 a 200) con énfasis en el rango de los números de Reynolds 100 y 200. Para hacer esto, se emplea un dominio rectangular para modelar el cilindro en dos dimensiones. El software elegido para este trabajo fue el paquete Ansys: DesignModeler, Meshing y Fluent. Los conceptos básicos sobre mecánica de fluidos, formación de vórtices y vibraciones se describen al comienzo del trabajo. El modelo numérico utilizado son las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas de Reynolds. Todas las simulaciones se han realizado para un flujo laminar. La viscosidad amortigua las oscilaciones. El cilindro está restringido a vibrar solo en una dirección (transversal a la dirección del flujo). Se ha realizado un estudio de sensibilidad de la independencia de la malla y del paso de tiempo. También se ha realizado una validación de resultados de un cilindro fijo comparando los parámetros de coeficiente de arrastre, coeficiente de elevación, número de Strouhal, distribución de presión, punto de separación y longitud de la zona de recirculación con la literatura. También se demostró la aparición de “Kármán Vortex Street” para flujos inestables. Las principales características analizadas para el cilindro oscilante son la relación de amplitud y la relación de frecuencia. Los hallazgos y recomendaciones para futuras investigaciones se dan al final del trabajo.The main objective of this work is to analyze the phenomenon of vibrations generated by the detachment of alternate vortices that are formed when a fluid flows around a cylindrical structure. This is known as vortex-induced vibrations (VIV). The focus of this study is the response of a circular cylinder in a steady and unsteady flows (Re = 20 to 200) with an emphasis in the range of Reynolds numbers 100 and 200. To do this, a rectangular domain is employed to model the cylinder in two-dimensions. The software chosen for this work was the Ansys package: DesignModeler, Meshing and Fluent. Basic concepts about fluid mechanics, vortex formation and vibrations are described at the beginning of the work. The numerical model used is the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations. All simulations have been done for a laminar flow. The viscosity damps the oscillations. The cylinder is restricted to vibrate only in one direction (transverse to the direction of flow). A sensitivity study of mesh independence and for the time step has been carried out. A results validation of a fixed cylinder has also been done comparing the parameters of drag coefficient, lift coefficient, Strouhal number, pressure distribution, separation point and length of the recirculation zone with the literature. The appearance of “Kármán Vortex Street” was also shown to appear for unsteady flows. The main characteristics analyzed for the oscillating cylinder are the amplitude ratio and the frequency ratio. The findings and recommendations for future research are given at the end of the work.Outgoin