پیش‌بینی عددی ناپایداری الاستیک- سیال در دسته سیلندر استوانه‌ای با چیدمان مثلثی نرمال

نویسندگان

Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University

چکیده

ناپایداری الاستیک- سیال از جمله مکانیزم�های مهم تحریک در دسته سیلندر مبدل�های حرارتی در معرض جریان عرضی می�باشد که منجر به ارتعاش با دامنه بالای سیلندرها و نهایتاً ویرانی سازه می�شود. در مقاله حاضر مرز شروع ناپایداری مذکور با حل جریان دوبعدی، ناپایا، لزج و آشفته در اطراف دسته سیلندرهای استوانه�ای در چیدمان مثلثی نرمال (30 درجه) به�طور عددی پیش�بینی شده است. در دسته سیلندر مورد بررسی، یک سیلندر کاملاً انعطاف�پذیر قرار دارد و باقی سیلندرها صلب در نظر گرفته شده�اند. شرایط شبیه�سازی بر اساس آزمایشات صورت گرفته توسط Meskell and Fitzpatrick, 2003 تنظیم شده است. به�منظور حل میدان جریان از روش حجم محدود در شبکه کارتزین استفاده شده و همچنین جهت اعمال شرط عدم لغزش بر روی اجسام جاسازی شده در میدان (سیلندرهای استوانه�ای)، روش سلول شبح (Ghost-cell) به همراه تکنیک مقدارِ بزرگِ جمله چشمه بکارگیری شده�اند. برهم�کنش بین سازه و سیال به�صورت کاملاً کوپل بواسطه حل همزمان معادلات حاکم بر سیال و معادلات حرکت سازه در هر گام زمانی صورت پذیرفته است. قبل از حل میدان جریان در دسته سیلندر استوانه�ای و تحلیل آن، دقت و صحت روش، با شبیه�سازی جریان� در اطراف تک سیلندر استوانه�ای مرتعش مورد اعتبارسنجی قرار گرفته است. نتایج حاصله در تطابق کامل با دیگر نتایج عددی و آزمایشگاهی موجود، می�باشد. نهایتاً جریان در اطراف دسته سیلندر استوانه�ای، شبیه�سازی و ضرایب برآ و پسا، حداکثر سرعت شکاف، توزیع فشار، توزیع چرخش، خطوط جریان، مد ارتعاشی و خط سیر سیلندر مرتعش و سرعت کاهش یافته در مرز ناپایداری به�طور عددی محاسبه و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته �اند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical Prediction of Fluid-Elastic Instability in a Normal Triangular Tube Bundle

چکیده [English]

Fluid-Elastic Instability is the most important mechanism among the vibration excitations in heat exchanger tube bundles subjected to cross flow. In this Article, threshold of FEI has been numerically predicted by simulation of incompressible, viscose, and unsteady cross flow through a tube bundle in normal triangular arrangement. In this tube bundle that was being studied, there was a single flexible cylinder surrounded by rigid tubes of bundle. Simulation conditions have been chosen as the scope of experiments performed by Meskell and Fitzpatrick (2003). A finite-volume solver based on Cartesian-staggered grid has been implemented. In addition, the ghost-cell method in conjunction with Great Source Term technique has been employed in order to enforce directly no-slip condition on the cylinders boundaries. Interactions between the fluid and the structure has been counted in a fully coupled manner by means of simultaneous solution of flow field and structural equation of motion in every time step of numerical modeling algorithm. Before giving a solution for the major problem, the accuracy of the solver is validated by simulation of the flow over a single oscillating circular cylinder. The results were completely compatible with the experiments reported in the literature. Eventually, the flow trough tube bundle has been simulated and analyzed by monitoring the drag and lift coefficients, flow visualizing parameters, maximum gap velocity, structural response, trajectory of flexible cylinder and critical reduced velocity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fluid-elastic Instability
  • Tube bundles
  • Circular cylinders
  • Finite-volume method
  • Cartesian-staggered grid