Numerical Study on Flow Characteristics and Vortex Shedding Suppression around the Cylindrical Structure using LES

Abstract

원통형 구조물 주변의 유동에 대한 연구는 오랜 기간 동안 연구자들의 관심사였다. 18세기 초반부터 레오나르도 다 빈치는 물 흐름을 연구함으로써 난류 문제에 대한 주목을 받았다. 이후 레이놀즈의 난류 연구는 난류의 생성이 레이놀즈 수라고 알려진 특정한 무차원 매개변수와 관련이 있다는 것을 입증했다. 폰 카르만은 원통의 둘레에 대한 연구를 통해 폰 카르만 소용돌이 거리의 형성 원리를 밝혀냈다. 이후로 더 많은 연구자들이 원통형 실린더 유동의 연구에 전념하며 이는 광범위한 주목을 받았다. 원통형 구조물 주변의 소용돌이 배출은 일부 조건에서 주기적으로 발생하므로, 이는 소용돌이 유도 진동(Vortex-Induced Vibration, VIV)을 일으킨다. 그러나 대부분의 경우 이 현상은 공학적 문제에서 피해야 한다.

현재의 연구는 주로 주기적인 소용돌이 배출 억제 방법에 초점을 맞추고 있으며, 특히 해양 및 해상 원통형 구조물에 대해 다루고 있다. 해양 리저, 석유 파이프라인, 해상 풍력 발전소 기초 등 많은 상황에서 원통형 구조물을 발견할 수 있다. 이러한 구성 요소들은 해파리 또는 해류의 영향을 받을 때 소용돌이 유도 진동에 영향을 받을 수 있으며, 심한 경우 피로 손상을 일으킬 수 있다. 이 연구의 범위는 소용돌이 배출 억제 방법을 찾는 것이다. 첫째로, 원통 회전을 통한 방법이 고려된다. 둘째로, 나선형 스트레이크가 부착된 원통도 조사되었다. 원통 회전은 추가적인 에너지 투입이 필요하므로, 스트레이크 부착에 대한 연구에 집중한다. 이 연구에서는 다양한 스트레이크 매개변수들을 비교하였다.

본 연구는 오픈소스 소프트웨어인 Open-Source Field Operation and Manipulation (OpenFOAM)을 사용하였다. OpenFOAM은 연속체 역학에 대해 20년 이상 개발되어 온 전문 도구로, GNU General Public License을 따르고 있다. OpenFOAM에서 특정 솔버를 적용하기 위해, 먼저 정지된 원통 주변 유동 문제를 기반으로 유효성 검증을 수행하였다. 또한, 이 연구에서는 LES Wall-Adapting Local Eddy-viscosity (WALE) 모델을 적용하였는데, 이는 보다 정확한 시뮬레이션 결과를 얻고 원통 주변의 소용돌이를 더 자세히 인식하기 위한 목적으로 사용되었다.

본 연구의 목표는 세 가지로 요약할 수 있다. 첫째로, 매개변수 연구를 통해 소용돌이 배출 억제의 잠재력을 조사하는 것이다. 둘째로, 대형 에디 시뮬레이션 (Large Eddy Simulation, LES)을 공학 문제 해결에 적용하는 것이다. 이 분야에서 이전 연구들이 LES를 사용한 바는 있지만, 아직 충분하지 않다. 셋째로, 연구 결과를 기반으로 해양 원통형 구조물의 설계에 유용한 통찰을 제공하는 것이다. 본 연구는 특정 구조에 국한되지 않고 보다 일반적인 성격을 갖추어, 리저나 스파 플랫폼 등 해상 구조물에 적용될 수 있다. 기존 연구들은 주로 RANS 연구에 초점을 맞추었으나, 본 연구는 LES를 사용하여 고속도로에 높은 소용돌이 영역을 식별하고, 스트레이크 부착과 회전 원통 사이의 관계를 확립하여 매개변수 변화의 영향을 보다 정확하게 분석하였다.

원통 주변 유동에 대한 회전 비율 변경의 효과를 OpenFOAM이라는 오픈소스 소프트웨어를 사용하여 조사하였다. 목표는 원통의 회전 비율을 증가시킴으로써 소용돌이 유도 진동을 억제하는 잠재력을 탐구하는 것이었다. 연구 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다. 첫째로, 수치 시뮬레이션은 회전 비율을 증가시킴으로써 카만 소용돌이 거리를 효과적으로 억제하는 것을 입증하였으며, 이는 회전하는 원통이 소용돌이 유도 진동을 효과적으로 완화할 수 있다는 것을 나타낸다. 둘째로, 회전 비율이 증가함에 따라 소용돌이의 스팬 방향 영향력이 감소하였으며, 이는 3차원 난류 효과의 감소를 시사한다. 셋째로, 힘 계수 분석은 회전 비율 증가에 따른 리프트 계수에 대한 영향이 드래그 계수에 비해 더 큰 영향을 미치는 것을 보여주었다. 스트루할 수의 변화는 회전 비율이 증가함에 따라 주변의 주기적 진동이 사라지는 것을 나타냈다. 결론적으로, 연구는 원통 근처에 소용돌이 흐름을 도입함으로써 소용돌이 유도 진동 생성을 효과적으로 억제하는 것을 발견하였으나, 이는 리프트 계수의 상당한 증가와는 대가로 이루어진다. 연구는 또한 해양 리저 구조물의 설계를 활용하여 소용돌이 흐름을 생성하고 소용돌이 유도 진동을 효과적으로 완화하는 잠재력을 강조하였다. 이 방향은 향후 연구에서 추구될 것이다.

또 다른 목표는 해상 원통형 구조물에 다른 스트레이크 매개변수의 영향을 조사하고 소용돌이 배출 억제의 잠재력을 평가하기 위해 LES를 사용하는 것이었다. 수치 시뮬레이션은 나선형 스트레이크가 해상 원통형 구조물에서 소용돌이 배출 현상을 효과적으로 방해하는 것을 보여준다. 이 연구의 주요 결론은 다음과 같다. 첫째로, 나선형 스트레이크를 부착함으로써 후류에서 주기적인 소용돌이 배출을 효과적으로 억제할 수 있으며, 이는 이전 실험 결과와 일치한다. 둘째로, 나선형 스트레이크의 추가로 인해 상하 표면에 불균형한 압력으로 인해 비대칭적인 리프트 분포가 발생한다. 셋째로, 스트레이크 개수를 증가시키면 VIV 억제 효과가 향상되지만 드래그가 증가한다. 넷째로, 스트레이크 각도는 소용돌이 배출에 큰 영향을 미치며, 15D를 초과하는 각도는 주기적인 배출이 다시 발생하게 한다. 따라서, 원격 분야에서 주기적인 소용돌이 배출을 방지하는 것이 중요하다. 다섯째로, 스트레이크 높이는 소용돌이 배출 억제에 큰 영향을 미치지 않지만, 상하 방향의 불균형을 유발할 수 있다. 마지막으로, 스트레이크 두께는 스트레이크 높이와 유사하게 소용돌이 배출 억제에 제한적인 영향을 미치며, 약간의 상하 방향 불균형을 유발할 수 있다.|The study of flow around cylindrical structure has been a concern for researchers in a long period. As early as the 18th century, Leonardo da Vinci drew attention to turbulence problems by studying water flows. Later, Reynolds' research on turbulence demonstrated that the generation of turbulence is related to a certain dimensionless parameter known as the Reynolds number. Von Karman's study on the circumference of a cylinder revealed the principle of Karman vortex street generation. Since then, more and more researchers have dedicated themselves to the study of circular cylinder flow, which has received widespread attention. Because of the vortex shedding around the cylindrical structure periodically in some conditions, the vortex induced vibration (VIV) will happens. But this phenomenon need to avoid in engineering problem for most time.

The current study mainly focus the method to suppress the periodical vortex shedding, especially for the marine or offshore cylindrical structures. The cylindrical structures can be found in many situations, such as marine risers, oil pipelines, and offshore windmill foundations for the offshore engineering. These components are susceptible to vortex-induced vibration when impacted by sea waves or ocean currents, which can result in fatigue damage, particularly in severe cases. The scope of this study is seeking the method to suppress the vortex shedding. Firstly, the method through rotating the cylinder are considered. Secondly, helical strake attached cylinder was investigated also. Consider the rotating cylinder need extral energy input, we focus the study of helical strake attached. Different parameters of the strake are compared in this study.

This study employs the open-source software, Open-Source Field Operation and Manipulation (OpenFOAM). The OpenFOAM toolbox is a specialized tool that has been iterated for more than 20 years on continuum mechanics and follows the GNU General ublic License. In order to applied the specific solver in OpenFOAM, the validation was did first based on the problem of flow around fixed cylinder. Additionally, the LES Wall-Adapting Local Eddy-viscosity (WALE) model was applied in this study, which aiming to acchieve more accurate simulation result and recognize the vortex around the cylinder more detail.

The objective of this study is threefold: Firstly, To investigate the potential for suppressing vortex shedding through parameter research. Secondly, exploring the application of large eddy simulation (LES) in solving engineering problems. Even though several previous study using LES, but it's not enough in this field. Thirdly, provide useful insights for the design of offshore cylindrical structures based on the study results. The current study is not limited to a specific structure but is more general, allowing for its applicability to offshore structures such as risers or spar platforms et al. Unlike previous studies, which focused on RANS research, the current study uses LES to identify high vortex regions and establish connections between the strake attachment and rotating cylinder for more accurate analysis of the influence of parameter changes.

The effect of changing the rotating ratio on the flow around a cylinder was investigated using the open-source software OpenFOAM. The objective was to explore the potential of suppressing vortex-induced vibrations by increasing the cylinder's rotating ratio. The research findings can be summarized as follows: Firstly, numerical simulations demonstrated that increasing the rotating ratio effectively suppressed the Karman Vortex Street, indicating that a rotating cylinder can effectively mitigate vortex-induced vibrations. Secondly, as the rotating ratio increased, the spanwise influence of the vortex decreased, suggesting a reduction in three-dimensional turbulence effects. Thirdly, the force coefficient analysis revealed a more significant impact on the lift coefficient than the drag coefficient with an increase in rotating ratio. The change in the Strouhal number indicated the disappearance of surrounding periodic vibrations as the rotation ratio increased. In conclusion, the study found that introducing swirl flow near the cylinder effectively suppressed vortex-induced vibration generation, albeit at the expense of a notable increase in the lift coefficient. The research also highlighted the potential of utilizing the design of marine riser structures to generate swirling flow and effectively mitigate vortex-induced vibrations. This direction will be pursued in future research.

Another target was focus on investigating the impact of different strake parameters on offshore cylindrical structures using LES to evaluate the potential of suppressing vortex shedding. The numerical simulations demonstrate that helical strakes effectively disrupt the vortex shedding phenomenon in offshore cylindrical structures. The key findings from this study are as follows: Firstly, attaching helical strakes effectively suppresses periodic vortex shedding in the wake, consistent with previous experimental results. Secondly, the addition of helical strakes introduces asymmetrical lift distribution due to unbalanced pressure on the upper and lower surfaces. Thirdly, increasing the strake number improves the suppression of VIV but leads to increased drag. Fourthly, strake pitch significantly influences vortex shedding, with a pitch exceeding 15D resulting in the reappearance of periodic shedding. Therefore, preventing periodic vortex shedding in the far field is crucial. Fifthly, the effect of strake height on inhibiting vortex shedding is not significant but can cause cross-directional imbalance. Lastly, strake thickness has limited impact on suppressing vortex shedding, similar to strake height, and can introduce slight cross-directional imbalance.