Determination of Galloping for Non-Circular Cross-Section Cylinders

The occurrence of translational and torsional galloping for a square cylinder and of a generic bundle are assessed at low Reynolds number through two-dimensional simulations. A finite element formulation specifically designed for fluid-structure interactions has been used. Incompressible Navier-Stokes equations for fluid flow and structural motion equations are solved in a fully coupled manner. A quasi-steady criterion for predicting galloping is also evaluated based on flow simulations around fixed cylinders for various angles of attack. The flow-induced damping and inertia coefficients of torsional galloping are calculated from a forced rotational oscillation model. Finally, the free angular response of rigid cylinders mounted in cross-flow are obtained from fully coupled fluid-structure simulations. Results for the translational motion of a bundle show that the prediction of quasi-steady criterion are in a very good agreement with direct fluid structure interaction results. Results for the torsional case show that fixed and forced rotations of the cylinders are able to predict quite well the static deflection angles and instability ranges respectively.

Résumé

Le galop en translation et en torsion d'en cylindres différentes de sections à de faible valeurs du nombre de Reynolds est étudié par le biais de simulations bidimensionnelles. Une formulation par éléments finis spécialement conçue pour les interactions fluide-structure été utilisée. Les équations de Navier-Stokes pour un écoulement de fluide incompressible et les équations du mouvement de le structure sont résolues de maniére fortement couplé. La performance d'un critère quasi-stationnaire visant à prédire le galop est également évaluée sur la base de simulations autour de cylindres fixes pour différents angles d'attaque. L'amortissement et l'inertie induits par l'écoulement sont calculée à partir d'oscillations forcées en rotation. Enfin, la réponse angulaire libre de cylindres rigides montés sur ressorts en torsion est obtenue à partir de simulations d'interaction fluide-structure. Les résultats pour le galop en translation montrent que les prédictions obtenu àes partir du critère quasi-stationnaire sont en très bon accord avec les résultats d'interactions fluide-structure directs. Les résultats en de torsion montrent par contre que le modéle quasi-stationnaire surprédit les zones d'instabilités dynamique.