Effet de l'excitation des structures cylindriques par les tourbillons alternés : modélisation de l'amplitude pour les codes de construction

Vortex-induced vibrations on industrial chimneys

• Auteur / Autrice : Øyvind Ellingsen
• Direction : Pascal Hémon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 08/10/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Carlo Cossu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Hémon, Vincent Denoël, François Coiffet, Claudio Mannini, Emmanuel de Langre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carlo Cossu, Vincent Denoël

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéroélasticité

Constructions, Théorie des

Vibrations

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Aeroelasticité

Ingénierie du vent

Vibrations

Vibrations induites par vortex

Cheminée

Aeroelasticity

Wind engineering

Vibrations

Vortex-Induced vibrations

Chimney

Résumé

Les vibrations causées par le détachement de tourbillons alternés (vibrations induites par vortex) constituent une préoccupation majeure lors de la conception de cheminées industrielles. Cette excitation est due à un couplage non linéaire entre le lâcher tourbillonnaire et le mouvement d’oscillation. Elle peut engendrer des amplitudes de vibration élevées à faible vitesse de vent. Il existe de nombreuses méthodes pour les prédire et la plupart d'entre elles doivent être améliorées.Pour améliorer les prédictions en soufflerie, il est nécessaire de connaître l'écoulement autour des cylindres circulaires à des nombres de Reynolds élevés. Une expérience dans une grande soufflerie a révélé une nouvelle information concernant la fréquence de lâcher des tourbillons à grands nombres de Reynolds : au lieu d'une seule fréquence, nous avons trouvé deux nombres de Strouhal bien distincts, 0.2 et 0.25 environ. Or de nombreuses études antérieures avaient trouvé des nombres de Strouhal dispersés dans l'intervalle 0.2-0.25 sans plus de précision.De plus, les distributions de pression instationnaire et les mesures de force à grande échelle sont utilisées pour valider une méthode expérimentale pour simuler un écoulement à haut nombre de Reynolds dans une soufflerie à petite échelle. Des éléments de rugosité collés sur la surface peuvent déclencher un écoulement à nombre de Reynolds élevé et reproduire en grande partie les distributions de pression instationnaire. Néanmoins, les fréquences de lâcher de tourbillons et les efforts restent différents à petite échelle.Dans des essais aéroélastiques 3D, on trouve que la couche limite atmosphérique turbulente affecte davantage l'écoulement que les rugosités artificielles. Sans couche limite atmosphérique, la réponse augmente et diffère entre le cylindre rugueux et le cylindre lisse. Ces résultats ont été corroborés par une expérience vraie grandeur sur site avec des profils de couche limite variant naturellement.Une autre méthode pour prédire les vibrations induites par les tourbillons consiste à utiliser des modèles analytiques. Pour trouver le meilleur modèle, deux modèles classiques sont comparés à un nouveau modèle approximatif. Les résultats dépendent du produit masse-amortissement. Lorsque ce produit est faible, le nouveau modèle fonctionne mieux, tandis que l'un des modèles classiques reste meilleur lorsque ce produit masse-amortissement est élevé.

Vibrations due to the alternating shedding of vortexes (vortex-induced vibrations) are a great concern when designing industrial chimneys. These vibrations are complex and can give large amplitudes of motion at low speeds. There are many methods for predicting these vibrations (e.g. wind tunnels or predictive models) but they need improvements.An experiment in a large wind tunnel revealed important, new knowledge on the vortex-shedding frequency which will help predict vortex-induced vibrations using wind tunnels. Instead of a finding a single vortex-shedding frequency, either in the range 0.25-0.27 or near 0.2 as in previous studies, two distinct Strouhal numbers were found at around 0.2 and 0.25.In addition, the spatial unsteady pressure distributions and forcing results at large-scale helped validate an experimental method for simulating the high Reynolds number flow in smaller wind tunnels. These tests showed that surface roughness can trigger high Reynolds number flow and mostly reproduce the spatial pressure distributions. While promising, the vortex-shedding frequencies and forces were different at small-scale than at large-scale.Turbulent atmospheric boundary layers were found to affect the response more than the surface roughness in 3D aeroelastic tests. When testing a rough and a smooth cylinder with a turbulent boundary layer, the responses were similar but the vibration amplitudes and differences increased when testing without the boundary layer. The importance of the turbulent boundary layer on the response was corroborated in a field experiment on a chimney exposed to naturally varying turbulence profiles.Lastly, ways to improve analytic modeling of predicting vortex-induced vibrations were found by finding the best model for a given situation. This was done using two classical design models and a newly approximated model and the best predictive model was found to depend on the product of mass and damping. When this product was low, the newly approximated model worked best while one of the design models was better when the mass-damping product was high.