Control of flow structure in the wake region of circular cylinder with meshy wire in deep water

Abstract

In this study the aim is decreasing the effect and the intensity of the temporary loads resulted from vortex shedding that have an impact on the cylinder (chimneys, high buildings etc.) located in deep water and the object or objects in the wake region and definition of the optimum values (wire thickness and porosity β) With different thickness and different porosity ratios the effect of meshy wire that surrounded a circular cylinder of D=50 mm diameter was observed at Re_D=5000. The porosity ratios were four different values between a range of β=0.5-0.8 with an interval of 0.1. The thicknesses of wire were 1 mm, 2 mm, 3 mm and 4 mm. The flow structure in the wake region of circular cylinder was tried to be controlled by meshy wire that surrounded the cylinder. Experiments were carried out by using particle image velocimetry (PIV) technique. Comparing with bare cylinder results, turbulence kinetic energy (TKE) and Reynolds shear stress values increase with wire thicknesses of b=1 mm, 2 mm for all porosity ratios and decrease with b=3 mm, 4 mm. With porosity ratio of β=0.6 and wire thickness of b=4 mm TKE and Reynolds shear stress results show that meshy wire controls the flow in the wake region of the cylinder. Frequency value results also define that best flow control is obtained with β=0.6 and b=4 mm.

Derin suda dairesel silindir arkasında meydana gelen akış yapısının örgü teller ile kontrol edilmesi

Öz

Bu çalışmada amaç derin su içerisine yerleştirilen silindire (bacalar, yüksek binalar vb.) ve arkasındaki bir cisme veya cisimlere girdap kopması sonucu etki eden daimi olmayan yüklerin etkisinin ve şiddetinin azaltılması ve optimum değerlerin (tel kalınlığı ve geçirgenlik oranı, β) belirlenmesidir. Bu amaçla çapı D=50 mm olan dairesel silindir etrafına sarılan farklı kalınlık ve geçirgenlik oranına sahip örgü tellerin etkisi Re_D=5000 değerinde araştırılmıştır. Geçirgenlik oranları β=0.5-0.8 aralığında 0.1 artımlarla dört farklı değerdedir. Silindir üzerine sarılmış tellerin kalınlıkları b=1 mm, 2 mm, 3mm ve 4mm’dir. Silindir arkasında meydana gelen akış yapısı, silindir etrafına sarılan örgü tellerle kontrol edilmeye çalışılmıştır. Deneyler PIV (parçacık görüntülemeli hız ölçme) tekniği kullanılarak yürütülmüştür. Tüm geçirgenlik oranlarında, Türbülans Kinetik Enerji (TKE) ve Reynolds kayma gerilmesi değerleri b=1 mm ve 2 mm tel kalınlıklarında, örgüsüz silindirin değeri ile kıyaslandığında artmakta fakat b=3 mm ve 4 mm kalınlıklarında azalmaktadır. Geçirgenlik oranı, β=0.6 değerinde ve tel kalınlığı b=4 mm durumunda TKE ve Reynolds kayma gerilmesi değerleri, örgü tellerinin silindir arkasında meydana gelen akışı kontrol ettiğini göstermektedir. Frekans değerlerinin sonuçları da örgü tellerin, silindir arkasındaki akışı, geçirgenlik oranı β=0.6 ve b=4 mm tel kalınlığında en iyi kontrolü sağladığını net bir şekilde açıklamaktadır

Anahtar Kelimeler

• PIV, Girdap kontrol, Örgü tel, Silindir

References

1. Akar MA, Küçük M. “Silindir arkasındaki daimi olmayan akış yapısının pasif yöntemle kontrolü”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(4), 123-128, 2014.
2. Paydaş K, Akar A, Karakuş C, Akıllı H, Şahin B. “Delikli silindir arkasında oluşan akış yapısının sığ suda incelenmesi”. 16. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Kayseri, Türkiye, 30 Mayıs-2 Haziran 2007a.
3. Galvao R, Lee E, Farrell D, Hovera F, Triantafyllou M, Kitney N, Beynet P. “Flow control in flow-structure interaction”. Journal of Fluids and Structures, 24(8), 1216-1226, 2008.
4. Ozono S. “Vortex suppression of the cylinder wake by deflectors”. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 91(1-2), 91-99, 2003.
5. Hangan H, Kim J. “Aerodynamic slot-control for 2D square prisms”. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 91(12-15), 1847-1857, 2003.
6. Lee SJ, Lee SI, Park CW. “Reducing the drag on a circular cylinder by upstream installation of a small control rod”. Fluid Dynamics Research, 34(4), 233-250, 2004.
7. Hwang JY, Yang KS, Sun SH. “Reduction of flow-induced forces on circular cylinder using a detached splitter plate”. Physics of Fluids, 15(8), 2433-2436, 2003.
8. Schumm M, Berger E, Monkewitz PA. “Self-excited oscillations in the wake of two dimensional bluff bodies and their control”. Journal of Fluid Mechanics, 271, 17-32, 1994.

9. Kumar RA, Shon C, Gowda BHL. “Passive control of vortex-induced vibrations: An overview”. Recent Patents on Mechanical Engineering, 1(1), 1-11, 2008.
10. Kunze S, Brücker C. “Control of vortex shedding on circular cylinder using self-adaptive hairy-flaps”. Comptes Rendus Mecanique, 340(1-2), 41-56, 2012.
11. Pınar E, Özkan G M, Akıllı H, Şahin B. “Sığ suda silindir arkasında oluşan girdabın delikli silindir yardımıyla kontrol edilmesi”. 18. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi, Zonguldak, Türkiye, 7-10 Eylül 2011a.
12. Gim O, HyunKim S, Lee G. “Flow control behind a circular cylinder by control rods in uniform stream”. Ocean Engineering, 38(17-18), 2171-2184, 2011.
13. Lim HC, Lee SJ. “Flow control of a circular cylinder with o-rings”. Fluid Dynamics Research, 35(2), 107-122, 2004.
14. Zhao M, Cheng L. “Finite element analysis of flow control using porous media”. Ocean Engineering, 37(14-15), 1357136, 2010.
15. Yayla S. “Flow characteristic of staggered multiple slotted-tubes in the passage of fin Tube Heat Exchanger”. Strojniški Vestnik-Journal of Mechanical Engineering, 59(7-8), 462-472, 2013
16. Westerweel J. Digital Particle Image Velocimetry, Theory and Application. PhD. Dissertation, Delft University, Netherlands, 1993.
17. Adrian RJ. “Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics”. Annual Review of Fluid Mechanics, 23, 261-304, 1991.
18. Ozkan GM, Oruc V, Akili H, Sahin B. “Flow around a cylinder by a permeable outer cylinder in shallow water”. Experiments in Fluids, 53,1751-1793, 2012.