Non linear model of rotational galloping of square, rectangular and bundle cylinder in cross-flow

Modélisation non-linéaire du galop en rotation pour des cylindres de sections carrées et rectangulaires

¹ Ecole Polytechnique de Montréal
² Ecole Centrale de Marseille
stephane.etienne@polymtl.ca

Abstract

The occurrence of rotational galloping for several geometries is assessed through two-dimensional flow simulations and fluid-structure interaction simulations. A finite element formulation specif­ically devised for fluid-structure interactions simulations has been used. Non-linear models aimed at predicting rotational galloping are determined based on cross-flow simulations around fixed cylinders for various angles of attack. The added torsional fluid damping coefficient is modelled based on the results of forced rotational oscillation simulations. The reliability of the models is assessed by confrontation with the results of free rotation simulations, where reduced velocity and maximum amplitude of galloping have been chosen as comparison criteria, when they can be measured. The quasi-steady model is shown to have strong limitations on stream­lined bodies. An extended quasi-steady model is introduced. This model does not consider history effects and considers damping up to second order. Contrarily to the previous model, this improved model can precisely predict unstable zones for a variety of section shapes. The torsional galloping of square, rectangular and bundle shape cross sections have been studied.

Résumé

L'apparition du galop en torsion est étudiée au moyen de simulations numériques bidimensionnelles, avec un code éléments finis conçu spécialement pour les problèmes couplés d'interactions fluide-structure. La comparaison entre simulations statiques en écoulement transversal et simulations dynamiques en mouvement d'oscillations forcées permet de mesurer l'amortissement fluide. Deux façons de modéliser cet amortissement sont développées. On confronte nos résultats à des expériences numériques en mouvement libre, en utilisant le cycle limite d'oscillation et la vitesse réduite comme critères de comparaison, lorsqu'on peut les mesurer. On montre que le modèle quasi statique n'est pas valide sur des géométries élancées. Un modèle quasi-statique étendu est proposé. Ce modèle est au deuxième ordre en amortissement et néglige les effets d'histoire. Il permet de prédire précisément les plages d'instabilités sur un certain nombre de formes de sections. En particulier, la réponse au galop en torsion de sections de formes carrées, rectangulaires et de type "bundle" a été étudiée.