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Master's Dissertation
DOI
Document
Author
Full name
Pedro Paludetto Silva de Paula Lopes
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2019
Supervisor
Committee
Pesce, Celso Pupo (President)
Carmo, Bruno Souza
Rosetti, Guilherme Feitosa
Title in English
A CFD investigation on the flow around a low aspect ratio vertical cylinder: modeling free surface and turbulent effects.
Keywords in English
CFD
Free surface
Low aspect ratio cylinder
Turbulence modeling
Abstract in English
The fow around bluff bodies is an essential topic in fuid dynamics. This fow is characterized by large vortical fow regions separating from the surface of the bluff body, and they cause oscillating drag and lift forces on the structure. The fow around an infinite long cylinder is a well-known case being studied in the literature. However, a cylinder with low aspect-ratio piercing the free surface has not been studied much although such an arrangement can be found in many floating offshore structures. In this thesis the results of CFD calculations are presented for a fixed, free surface piercing cylinder with an aspect-ratio L/D equals to 2. The Reynolds number was equal to 4:3 x 104 indicating that the flow is in the sub-critical turbulent regime. An extensive methodology of verication and validation is followed to investigate the reliability of the results. To investigate the effect of the free surface on the calculated hydrodynamic loads, two approaches have been considered: a double-body symmetry condition and an interface capturing Volume-of-Fluid (VoF) method. Additionally, two turbulence models are investigated: a two-equation turbulence model; a non-linear Explicit Algebraic Reynolds Stress Model (EARSM); and the Improved Delayed Detached Eddy Simulation (IDDES) turbulence model. The results are presented in terms of integral results (drag and lift coefficients) and flow visualizations. Based on the results of the cases in which the free surface was modeled as a double body symmetry boundary condition, it is concluded that the model is not suitable for this type of flow as the model damps out the flow dynamics due to over-production of eddy-viscosity. Hence, the characteristic oscillating lift forces are not captured using this turbulence model. However, this turbulence model showed good agreements regarding the flow fields in comparison with experimental PIV measurements. Results of the case modeled with EARSM turbulence model shows better agreement with the experimental results compared with the turbulence model. In the cases where the free-surface is considered, results with the EARSM turbulence model show similar results for the drag forces whereas the lift uctuations were one order of magnitude smaller, compared with the double body case. Lastly, the results using the IDDES turbulence model and free-surface VoF modeling are shown to produce the best comparison with the experimental results, regarding both, integral values and flow field results.
Title in Portuguese
Uma investigação do escoamento ewm torno de cilindro vertical de baixa razão de aspecto através da dinâmica dos fluídos computacional: modelamento de efeitos de superfície livre e de turbulência.
Keywords in Portuguese
Dinâmica dos fluidos
Escoamento
Turbulência (Modelos)
Abstract in Portuguese
O escoamento ao redor de corpos rombudos é um tópico essencial na dinâmica de fluidos. O escoamento é caracterizado por regiões com grande vorticidade que se separam do corpo e causam oscilações das forças de arrasto e sustentação sobre a estrutura. O escoamento ao redor de cilindros longos é um tema que tem sido extensivamente estudado com muitos trabalhos encontrados na literatura. Entretanto, o cilindro com baixa razão de aspecto perfurante à superfície livre é um caso pouco estudado, apesar desta estrutura ser encontrada em várias estruturas oceânicas flutuantes. Esta dissertação apresenta cálculos numéricos para o escoamento ao redor de um cilindro fixo, que trespassa a superfície livre com razão de aspecto L/D igual a 2. O problema é estudado em um regime subcrítico de turbulência, com número de Reynolds igual a 4:3 x 104. Uma vasta metodologia de verificação e validação foi seguida para avaliar a confiabilidade dos resultados obtidos numericamente. Para investigar os efeitos da superfície livre nas cargas hidrodinâmicas, duas abordagens s~ao consideradas: condição de simetria de duplo corpo e um método de captura de interface Volume of Fluid. Além disso, dois modelos de turbulência foram investigados: o modelo não linear Explicit Algebraic Reynolds Stress Model (EARSM), e o modelo de turbulência Improved Delayed Detached Eddy Simulation (IDDES). Os resultados relacionados aos coeficientes de arrasto e sustentação são apresentados a partir de análise estatística, complementados através de ilustrações que permitem visualizar os campos de escoamento e pressão. Com base nos resultados de casos em que a superfície livre é modelada com uma condição de contorno de simetria, conclui-se que o modelo de turbulência não é adequado para este tipo de escoamento, pois o modelo amortece a dinâmica do escoamento devido à superprodução de viscosidade turbulenta. Consequentemente, as oscilações na força de sustentação não são capturadas usando este modelo. Entretanto, resultados dos campos médios do escoamento mostram-se concordantes com imagens experimentais obtidas com técnicas de PIV - Particle Image Velocimetry. Resultados do caso modelado com o modelo de turbulência EARSM mostram melhores concordâncias na comparação dos parâmetros estatísticos com experimentos do que o modelado com o modelo EARSM. Nos casos em que a superfície livre é modelada com o método VoF, o modelo de turbulência EARSM mostra resultados semelhantes para o arrasto, enquanto as flutuações da sustentação apresentam-se uma ordem de grandeza menores, quando comparadas ao caso de duplo corpo. Resultados usando o modelo de turbulência IDDES e VoF apresentam melhores comparações aos resultados experimentais, tanto para os parâmetros estatísticos quando para as visualizações do escoamento.
 
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Publishing Date
2019-04-17
 
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