전단응력의 변화가 Lock-in 현상에 미치는 영향에 대한 전산해석
Computational Study for Effect of Shear Stress Change on Lock-in Phenomenon
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초록
세장 구조물은 동하중에 매우 취약한 구조시스템으로써 와흘림에 의한 와류유발진동(Vortex-Induced Vibration, VIV)이 발생할 가능성이 크다. 또한 와류유발진동이 구조물의 고유진동수 영역에서 발생하는 경우 공진이 지속되는 Lock-in 현상으로 피로 파괴의 우려가 있다. 본 논문에서는 공진주파수가 유동 조건의 변화에도 불구하고 유지되는 현상의 원인을 분석하기 위해서 유체로 인한구조물의 동적 거동에 대하여 해석을 수행하였다. 유동의 방향과 수직 방향으로 자유 거동하는 1 자유도의 구조시스템의 2차원 원형실린더 단면을 대상으로 비정상 층류영역을 가정하였다. 물체의 움직임을 고려하여 매시간 유동장의 격자를 재생성하는 Remeshing 기법을 사용하였고 물체의 운동방정식과 유동의 지배방정식을 순차적으로 수치계산하는 유체-구조 연성 해석을 수행하였다. 본 연구에서 구현한 Lock-in 현상은 선행연구와 잘 일치하였고, Lock-in 현상에서 운동진폭이 증가하는 특성이 잘 모사되었다. 또한 단면에서 전단응력의 변화로 인한 박리현상과 공진주파수가 지속되는 현상의 관계를 분석하였다.
Abstract
The slender structures are highly susceptible to dynamic force exerted by fluid-structure interactions among which vortexinducedvibration(VIV). Also If VIV occurs in natural frequency regime of the structure, the fatigue failure likely happens by so calledlock-in phenomenon. This study presents the numerical analysis of dynamic behavior of both structure and fluid in the lock-in regimesand investigates the subjacent phenomena to hold the resonance frequency in spite of the change of flow condition. It was consideredfor a two-dimensional circular cylinder which was assumed to move freely in single degree of freedom in the direction orthogonal tothe uniform inflow about unsteady and laminar flow. Fluid-structure interaction was implemented by solving both unsteady flow anddynamic motion of the structure sequentially in each time step where the fluid domain was remeshed considering the movement ofthe body. The results show reasonable agreements with previous studies and reveal characteristic features of the lock-in phenomena. Also this study was analysis relation between the resonance frequency and the vortex shed by the change of shear stress in circularcylinder.
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