Design and implementation of an experimental set up to study vortex induced vibrations

Abstract

Las vibraciones inducidas por vórtices son oscilaciones periódicas experimentadas por un cuerpo debido a su interacción con una corriente fluida. Estas vibraciones son provocadas por fuerzas fluido dinámicas oscilantes que aparecen durante esta interacción, causando importantes daños de fatiga en muchas aplicaciones, como por ejemplo, cables marinos, puentes o plataformas oceánicas. Así, las vibraciones inducidas por vórtices son un campo de estudio ampliamente desarrollado en la actualidad. En este proyecto, se diseña y se construye una planta experimental para el estudio de las vibraciones inducidas por vórtices. El objetivo de esta instalación es conseguir que un cilindro sea bañado por una corriente continua de agua, provocando la aparición de vórtices. Para conseguir este objetivo, se diseña una planta compuesta por cuatro partes: un circuito cerrado de agua, un sistema de hélices, una estructura externa y un mecanismo que mueve un cilindro. El circuito de agua consta a su vez de dos partes: un conducto rectangular formado por placas de PVC que contiene una ventana transparente para ver la estela de vórtices, y un sistema de tuberías de 144,6 mm de diámetro interno cuya función es unir los dos extremos del conducto rectangular, cerrando de esta forma el circuito. Para mover el agua, se diseña un sistema de hélices formado por 4 hélices de 75 mm de diámetro, dos girando en el sentido de las agujas del reloj y las otras dos en el contrario. Todo el circuito esta sujetado y protegido por una estructura hecha con perfiles de aluminio. En cuanto al mecanismo, se diseña un mecanismo de barras biela-manivela movido por un motor paso a paso que permite el movimiento sinusoidal del cilindro. Se calculan las pérdidas de carga en el circuito para dimensionar el motor brushless. Además, se estudian las fuerzas que actúan sobre el cilindro así como su influencia en el par del motor paso a paso, y se implementan dos controles automáticos para el control de ambos motores.

Vortex-induced vibrations (VIV) are periodic motions experienced by a solid due to its interaction with an external fluid flow, which is generally air or water. These vibrations are caused by fluid dynamic oscillating forces which appear during this interaction, causing important fatigue damages in many applications, such as marine cables, bridges or off-shore structures. Thus, VIV is a field of study which is being strongly developed nowadays. In this project, an experimental set up for the study of water VIV is designed and built. The objective of the plant is achieving a continuous water flow passing a forcedly oscillating cylinder, provoking vortex shedding. To accomplish it, the set-up is designed consisting of four parts: a water closed circuit, a propel system, an external structure and a driving mechanism for the cylinder. The water circuit is composed of two different parts: a rectangular 0.204 m width x 1 meter long x 0.25 meters high duct made with PVC plates and containing a transparent window allowing the view of the vortex shedding; and a pipe system made with 144.6 mm inside diameter PVC pipes, whose function is joining both ends of the rectangular duct and closing the circuit. To move the water, a propel system is made consisting of four 75 mm water propellers, two of them spinning clockwise and the other two spinning counter-clockwise, moved with two brushless motors. The whole circuit is protected and supported by an external structure made with aluminium profiles. Regarding at the driving mechanism, it is a rod mechanism moved by a stepper motor that allows the cylinder moving synusoidally in the cross flow section. Head losses in the circuit are calculated to select the correct brushless motor. Besides, the forces acting on the cylinder and its influence on the motor torque are studied, and two different automatic controls are done to control the brushless and the stepper motors.