Flow-Induced Vibrations of In-Line Cylinder Arrangements at Low Reynolds Numbers

Les vibrations induites par sillage (Wake-Induced Vibration ou WIV en anglais) est un type d'interactions fluide-structure qui peut se produire quand deux corps ou plus, montés élastiquement, sont disposés l'un derrière l'autre dans un écoulement transverse. Dans cette configuration, le corps situé en aval est soumis non seulement à son propre lâcher tourbillonnaire mais également à celui généré par le cylindre amont. Par conséquent, le corps aval peut osciller fortement avec des amplitudes maximales pouvant atteindre A/D=10 (Paidaussis et al. (2011)). Les WIV sont encore mal connues. Même un leader mondial en classification dans le domaine de l'ingénierie offshore ne sait pas comment traiter les phénomènes d'interférences entre plusieurs colonnes montantes avec WIV (Det Norske Veritas (2009)). La plus part des études effectuées considèrent simplement une configuration en tandem d'une paire de cylindres. Peu d'études ont été réalisées avec plus de deux corps montés élastiquement. En 2009, Etienne at al. ont considéré 3 cylindres arrangés en ligne dans un écoulement uniforme. Pour un nombre de Reynolds de 200 et une vitesse réduite de 8, ils ont montré par simulation numérique que les cylindres pouvaient subir de fortes oscillations. En 2013,Oviedo-Tolentino et al. ont étudié expérimentalement les oscillations de 10 cylindres placés les uns derrière les autres pour un facteur de masse amortissement de m¤³ = 0.13. Ils ont confirmé que le troisième cylindre, c'est-à-dire celui placé derrière les deux premiers, peut subir des oscillations transverses plus importantes encore que celles subies par le deuxième cylindre. Ces grandes oscillations peuvent non seulement causer une fatigue excessive des matériaux mais également provoquer des collisions entre les cylindres. Ainsi, les WIV peuvent poser de sérieux problèmes lors de la conception de nombreux systèmes en ingénierie. À la lumière de ces études récentes, il est donc nécessaire d'approfondir l'étude des comportements de plusieurs corps placés les uns derrière les autres dans un écoulement transverse et montés élastiquement. Mise à part les fortes oscillations observées, de nombreux aspects des WIV de plusieurs cylindres en ligne restent très mal connus : les réponses fréquentielles et les amplitudes maximales produites, l'influence du nombre de Reynolds de l'écoulement, les effets dus à des ratios de masse ou des facteurs de masse amortissement faibles, etc. Cette thèse vise à explorer numériquement les réponses d'oscillations induites par sillage de 3 cylindres circulaires disposés en ligne et ayant un nombre de masse faible et un amortissement nul pour de faibles nombres de Reynolds. Pour atteindre cet objectif de recherche, on procède en trois étapes.

Abstract

Wake-induced vibration (WIV) is a type of fluid-structure interaction (FSI) that may occur when there are two or more elastically mounted bodies, arranged one after the other, in a cross flow. Here, the downstream body is not only affected by the vortices generated behind the body itself, but also is subjected to the influence of the wake developed behind the upstream body. Under these two disturbances, the downstream body can develop severe oscillations with a maximum amplitude as large as A/D = 10 (Paidoussis et al. (2011)). The knowledge of WIV is still so limited that even in the recommended practice for riser interference from a world class leader in offshore engineering classification does not know yet how to consistently incorporate the consideration of WIV (Det Norske Veritas (2009)). Most investigations consider the configuration with a tandem cylinder pair placed in a uniform flow. Very little is known when there are more than two elastically mounted structural bodies. In a brief investigation, Étienne et al. (2009) numerically showed that three freely oscillating cylinders arranged in-line, in a uniform flow at the Reynolds number of Re = 200 and at a fixed reduced velocity of Ur = 8, can develop significant vibrations. A recent original experiment by Oviedo-Tolentino et al. (2013), who studied the oscillation response of ten collinear cylinders with a medium large mass-damping factor (m¤³ = 0.13) placed in a uniform flow, confirmed that the cylinders behind the second one can develop transverse oscillations that are actually larger than those of the second cylinder. These more severe oscillations, not only can cause fatigue of material, but also can potentially lead to collisions among the cylinders. These conditions pose great challenges for engineering design. Based on these recent findings, it is therefore important to take a closer look at the behavior of multiple elastically mounted bodies arranged in-line placed in a cross flow. Apart from the more significant oscillations observed, many important aspects about WIV of multiple in-line cylinders, e.g. the low mass ratio, the low mass-damping factor, the maximum oscillation amplitude, the frequency responses, and the effect of Reynolds number, etc., remain essentially unknown. This thesis aims to numerically explore the wake-induced vibration responses of three circular cylinders with low mass ratio and zero damping arranged in-line at low Reynolds number in order to advance the fundamental engineering knowledge regarding multiple elastically mounted in-line bodies placed in a cross flow. To reach this research goal, we have identified three specific objectives.