Flutter Instability of a Reconfiguring Beam with Large Displacement

Les arbres et les plantes tirent bénéfice de leur flexibilité en réduisant la charge aérodynamique à laquelle ils sont confrontés en se pliant et en se déformant. La flexibilité est donc un avantage, permettant une reconfiguration et une réduction de la traînée. Cependant, il est bien connu que la flexibilité est également à l'origine de nombreux phénomènes de vibration induite par l'écoulement tels que le flottement, qui peuvent être associés à des contraintes dynamiques élevées. Le but de cette recherche est de savoir si le flottement limite les avantages de la reconfiguration. Dans ce but, nous considérons la reconfiguration d'une plaque plane sous écoulement d'air pour imiter la reconfiguration complexe de vraies plantes. En particulier, nous examinons la dynamique d'une plaque plane initialement positionnée perpendiculaire à l'écoulement du fluide et fixée à sa ligne médiane. Dans la partie numérique, nous développons un solveur structural considérant les grands déplacements en supposant qu'un modèle de poutre d'Euler-Bernoulli représente le mouvement des plaques en deux dimensions. Nous utilisons un code CFD pour la simulation du champ d'écoulement. Nous utilisons une technique itérative partitionnée pour coupler les solveurs structural et fluide afin d'assurer la convergence des variables de structure et d'écoulement au niveau de l'interface. De plus, nous étudions les caractéristiques de flottement d'une poutre en reconfiguration en utilisant la méthode numérique développée. Dans la partie expérimentale, nous effectuons une série de tests en soufflerie pour observer la limite de stabilité et les différents modes de flottement et également valider notre méthode numérique avec les données expérimentales. L'approche numérique-expérimentale combinée révèle que la reconfiguration est bénéfique jusqu'à la limite de flottement, tandis que la charge due à la dynamique instable du régime post-flottement dépasse la charge rigide, même légèrement au-delà de la limite de flottement pour de faibles rapports de masse. De plus, le lâcher de tourbillons en aval de la plaque entraîne des vibrations induites par vortex, ce qui est la cause du changement de la dynamique de la plaque d'un mode symétrique à un mode antisymétrique.

Abstract

Trees and plants benefit from flexibility by reducing the aerodynamic loading they face by bending and deforming. Flexibility is thus an advantage, allowing reconfiguration and drag reduction. However, it is well-known that flexibility is also at the root of many flow-induced vibration phenomena such as flutter, which can be associated with high dynamic stresses. The goal of this research is to find out whether flutter is limiting the benefits that come from reconfiguration. To this aim, we consider reconfiguration of a flat plate under airflow to imitate the complex reconfiguration of real plants. In particular, we look at the dynamics of a flat plate initially positioned normal to fluid flow and clamped at its centerline. In the numerical part, we develop a large displacement structural solver assuming the Euler-Bernoulli beam representing the motion of plates in two dimensions. We use an in-house CFD code for the simulation of the flow field. We employ an iterative partitioned technique to couple the structural and fluid solvers to ensure convergence of the flow and structure variables at the interface level. Further, we study flutter characteristics in a reconfiguring beam using the developed numerical method. In the experimental part, we perform a series of wind tunnel tests to observe the stability limit and different flutter modes and also to validate our numerical method with the experimental data. The combined numerical-experimental approach reveals that the reconfiguration is beneficial up to the flutter limit, while the loading due to unsteady dynamics of the post-flutter regime exceeds the rigid loading for low mass ratios. In addition, the vortex shedding downstream of the plate leads to vortex-induced vibrations, which is the cause of the change in plate dynamics from a symmetrical mode to an anti-symmetrical mode.