Numerical analysis of hydrodynamic forces due to flow instability at lift gate

• Autorzy: Kostecki S. W.

Warianty tytułu

PL

Numeryczna analiza sił hydrodynamicznych wywołanych niestabilnością przepływu, działających na zamknięcie zasuwowe

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A numerical method, being a combination of the vortex method and the boundary element method, is used here to predict the two-dimensional flow field in the vicinity of an underflow vertical lift gate. In practice, tunnel-type flat-bottomed lift gates experience strong hydrodynamic loading, due to vortex detachment from the gate bottom edge, and near-wake velocity fluctuations. This paper presents a stream function, and velocity and vorticity distributions for two gate gaps. The vortex detachment mechanism is described and the vortex shedding frequency, expressed as a Strouhal number, is presented. The predicted velocity and vorticity fields are then used to calculate the pressure distribution on the gate surface by the boundary element method. The time histories of the lift and drag coefficients are presented. The proposed numerical method has been validated by the measurements of the downpull coefficient for the flow around the lift gate.

PL

W pracy przedstawiono numeryczną metodę wynikającą z połączenia metody wirów i metody elementów brzegowych do określenia dwuwymiarowego pola prędkości pod zamknięciem zasuwowym. W praktyce, zamknięcia w spustach dennych, pracujące jako ciśnieniowe są poddane silnym obciążeniom dynamicznym, wynikającym z odrywania się wirów od dolnej krawędzi zamknięcia i fluktuacji pola prędkości w strumieniu za zamknięciem. W artykule przedstawiono funkcję prądu, pole prędkości i wirowości dla dwóch poziomów otwarcia zasuwy. Przedstawiono mechanizm odrywania wirów i podano częstość tego zjawiska, wyrażoną za pomocą liczby Strouhala. Obliczone pola prędkości i wirowości zostały następnie wykorzystane do obliczenia rozkładu ciśnienia na powierzchni zamknięcia metodą elementów brzegowych. Zaprezentowano również przykładowe przebiegi czasowe współczynnika siły unoszenia i oporu. Wyniki symulacji numerycznych zweryfikowano na podstawie cytowanych w literaturze pomiarów współczynnika siły ssania działającej na zamknięcie zasuwowe.

Słowa kluczowe

EN

vorticity; vortex method; flow instability; vertical lift gate; boundary element method; hydrodynamic force

PL

niestabilność przepływu; metoda elementów brzegowych; hydrodynamika; metoda wirów

• Wydawca: Springer ; Wrocław University of Science and Technology
• Czasopismo: Archives of Civil and Mechanical Engineering
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 11, no 4
• Strony: 943--961
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Kostecki S. W.

• Wrocław University of Technology, Wybrzeże Wyspiańskiego 25, 50-370 Wrocław, Poland

Bibliografia

• [1] Billeter P.: Flow-inducted multiple-mode vibrations of gates with submerged discharge, Journal of Fluids and Structures, Vol. 14, 2000, pp. 323-338.
• [2] Billeter P.: Properties of single shear layer instabilities and vortex-inducted excitation mechanisms of thick plates, Journal of Fluids and Structures, Vol. 19, 2004, pp. 335-348.
• [3] Braza M., Chassaing P., Ha Minh H.: Numerical study and physical analysis of the pressure and velocity fields in the near wake of a circular cylinder, J. Fluid Mech., Vol. 165, 1986, pp. 79-130.
• [4] Campbell F.B.: Vibration problems in hydraulic structures, J. Hydr. Div., Vol. 2, 1961, pp. 61-77.
• [5] Colgate D.: Hydraulic downpull forces on high head gates, J. Hydr. Div., Vol. 11, 1959, pp. 39-52.
• [6] Cottet G-H., Koumoutsakos P.D.: Vortex methods: theory and practice, Cambridge University Press, 2000.
• [7] Gaul L., Kögl M., Wagner M., Boundary Element Methods for Engineers and Scientists, An Introductory Course with Advanced Topics, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2003.
• [8] Hald O.H.: Convergence of vortex methods for Euler's equations II, SIAM J. Numer. Anal., Vol. 16, 1979, pp. 726-755.
• [9] Hardwick J.D.: Flow induced vibration of vertical - lift gate, Proc. ASCE, J. Hydr. Div. Vol. 5, 1974.
• [10] Kolkman P.A.: Gate vibration. Developments in hydraulic engineering - 2, Ed. by P. Novak, Elsevier, 1984.
• [11] Kostecki S.: Numerical determination of the hydrodynamic pressure acting on a hydraulic gate, Polish J. of Environ. Stud., Vol. 16, No. 6B, 2007, pp. 39-45.
• [12] Lewis R.I., Vortex Element Methods for Fluid Dynamic Analysis of Engineering Systems, Cambridge University Press, London, 2005.
• [13] Majda A.J., Bertozzi A.L.: Vorticity and incompressible flow, Cambridge University Press, Cambridge, 2002.
• [14] Naudascher E.: Vibration of gate during overflow and underflow, J. Hydr. Div., Vol. 5, 1961 pp. 63-86.
• [15] Naudascher E., Rockwell, D.: Flow-induced vibrations, An Engineering Guide, A.A. Balkema, 1994.
• [16] Naudascher E.: Hydrodynamic forces, A.A. Balkema, 1991.
• [17] Sagar B.T.A., ASCE Hydrogates Task Committee Design Guidelines for High-Head Gates, IAHR J. Hydraul. Eng., Vol. 121, No. 12, 1995, pp. 845-852.
• [18] Simmons W.P.: Air model studies of hydraulic downpull on large gates, J. Hydr. Div., Vol. 1, 1959, pp. 41-59.
• [19] Thang N.D.: Gate vibrations due to unstable flow separation, J. Hydr. Eng. Vol. 116, No. 3, 1984, pp. 342-361.