Computational and experimental study of the influence of the free surface on rigid and deformable submerged structures

Díaz Ojeda, Héctor Rubén (2019). Computational and experimental study of the influence of the free surface on rigid and deformable submerged structures. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Navales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57486.

Description

Title: Computational and experimental study of the influence of the free surface on rigid and deformable submerged structures
Author/s:
  • Díaz Ojeda, Héctor Rubén
Contributor/s:
  • González Gutiérrez, Leo Miguel
  • Huera-Huarte, Francisco Javier
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Navales (UPM)
Department: Arquitectura, Construcción y Sistemas Oceánicos y Navales (Dacson)
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El objetivo de esta tesis es el estudio y evaluación de la influencia de la superficie libre en estructuras sumergidas. Dos geometrías se han seleccionado. Por un lado, una placa flexible empotrada en un cilindro rígido se ve afectada por un flujo en régimen laminar. La estructura se sumerge a diferentes profundidades y se estudia la dependencia de los números de Cauchy, Reynolds y Froude. La deformación de la placa y las fuerzas de drag actuando sobre la estructura son analizadas en detalle con la finalidad de entender los efectos que la superficie libre ocasiona en la estructura. Se observa que la amplitud de oscilación de la placa aumenta a medida que los números de Reynolds, Froude y Cauchy también aumentan. Sin embargo, cuando la profundidad crece y la estructura se aleja de la superficie libre, todos los resultados tienden a saturarse. Para profundidades pequeñas, la superficie libre actúa amortiguando la oscilación de la placa, reduciéndola. Se estudia la física de la deformación de la placa basada en la diferencia de presiones a ambas caras de la placa y se monitoriza cómo la diferencia de presión disminuye cuando la estructura se acerca a la superficie libre. El coeficiente de drag de la estructura formada por el cilindro más la placa aumenta linealmente con la profundidad, pero disminuye cuando la viscosidad del fluido es reducida. Por otro lado, el flujo normal a una placa rectangular se estudia numéricamente usando la metodología Large Eddy Simulation (LES) teniendo en cuenta la superficie libre y la gravedad. Estudios numéricos previos en geometrías similares consideran periodicidad o flujo laminar. El estudio numérico, se basa en una simulación 3D con una placa rígida en régimen turbulento. Se encuentran importantes diferencias entre el caso laminar o asumiendo condiciones de contorno periódicas. Las simulaciones se validan inicialmente usando un caso de referencia con esquinas redondeadas y una configuración 3D periódica. La media aritmética de la fuerza de drag, la velocidad y los campos de presión se comparan en esta tesis con otras investigaciones a modo de validación. Finalmente, en el caso con dos fases y 3D, las fuerzas de drag y los campos de vorticidad cerca de la placa son comparados con el trabajo de Satheesh and Huera-Huarte (2019) Effect of the free surface on a at plate translating normal to the flow. Ocean Engineering 171, 458 - 468. Esos experimentos son usados para establecer el set-up en el numérico tomando en consideración los valores usados por el citado autor. Además se investigará el efecto del cambio de la superficie libre por una pared rígida. De estas investigaciones se puede indicar, por un lado: las frecuencias inestables asociadas a los casos periódicos desaparecen cuando el mismo no es periódico. Otra conclusión es hay una profundidad crítica entre la parte superior de la placa y la superficie libre donde el drag muestra su máximo valor. Estas conclusiones son estudiadas teniendo en cuenta la distribución de presión, las estructuras de los vórtices formados y profundidad de la placa. ----------ABSTRACT---------- The aim of this thesis is to evaluate to what extent the immersion depth affects the hydrodynamics of a submerged body. Two different geometries have been selected. Firstly, a deformable splitter plate is attached to the base of a stationary circular cylinder, and an uniform flow is imposed on the system, in the laminar regime. This structure is submerged at different depths and the dependence on the Cauchy, Reynolds and Froude number are studied. The deformation and the drag forces acting on the structure are analysed in detail in order to understand the effects that the free surface has on the problem. It was observed that the amplitude of the tip of the splitter plate grows as the Reynolds, Froude and Cauchy numbers are increased. However, as the depth grows, and the structure moves away from the interface, all measurements tend to saturate. For lower depths, the free surface works as a damper for the plate dynamics, reducing the oscillations. The physical mechanism of deformation based on the pressure difference at both sides of the plate is studied, monitoring how the pressure difference decreases as the structure approaches the free surface. The drag coefficient of the global structure (cylinder and plate) increases linearly with depth, but decreases when the viscosity of the fluid is reduced. Secondly, the flow normal to a rectangular flat plate with sharp angles in the presence of the free surface and gravity has been studied numerically, using a 3D Large Eddy Simulation (LES) methodology. Previous numerical studies on this geometry consider either periodic assumptions or the laminar regime Re O(103). The numerical study described here, with a fully 3D simulation of the flat plate in the turbulent regime Re O(105) has not been reported before. Important differences have been found with respect to the laminar case or when periodic boundary conditions are assumed. The simulations are initially validated using a reference case of a plate with sharp corners and a single phase 3D-periodic configuration. The time averaged drag force, the velocity and pressure fields are compared against the case of the plate with smooth corners. Finally, in the case of the two-phase 3D numerical simulations, the drag force and the vorticity fields in the near wake of the plate are compared to recent experimental work of Satheesh and Huera-Huarte (2019). These experiments were used as a guideline for the computational set-up, consequently the value of most of the dimensionless parameters are the same. A second scenario where the free surface is replaced by a solid wall is also considered. Two important observations show up from this research, first: the characteristic unsteady frequencies associated to the two periodic regimes in the case involving smooth corners, is missing in this scenario. Second, a critical submergence depth (distance) between the upper part of the plate and the free surface (or solid wall) has been found, where the drag force shows a maximum value. These observations are discussed in relation to the pressure distribution, the vortex structures formed at the wake and the gap flow formed between the plate and the free surface.

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Item ID: 57486
DC Identifier: http://oa.upm.es/57486/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57486
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57486
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 17 Dec 2019 05:48
Last Modified: 17 Jun 2020 22:30
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