A*STAR-onderzoekers hebben een model ontwikkeld dat de gecompliceerde krachten kan simuleren die worden uitgeoefend door stromend water op een reeks cilinders die watergedragen constructies zoals booreilanden ondersteunen. Het werk demonstreert het nut van numerieke simulaties om complexe fysieke real-world scenario's te onderzoeken.

Bij het ontwerpen van een offshore-platform, ingenieurs moeten kunnen voorspellen hoe het zal worden beïnvloed door de beweging van het omringende zeewater. Als cilindrische constructies zoals warmtewisselaars, schoorstenen en stijgleidingen, worden gewoonlijk ingezet op het punt waar de platforms de oceaan ingaan, het is van vitaal belang om de krachten te begrijpen die erop worden uitgeoefend door stromend water onder verschillende zeecondities.

Water dat rond een enkele cilinder stroomt, creëert oscillerende wervels - wervelende waterstromen. Deze zogenaamde vortex shedding kan trillingen in de constructie veroorzaken. Deze bereiken typisch een maximale amplitude wanneer de stroomsnelheid zodanig is dat de wervelingsafstotende oscillatiefrequentie dichtbij de natuurlijke mechanische frequentie van de constructie ligt; dit wordt ook wel de lock-in frequentie genoemd.

Echter, in het geval van meerdere dicht bij elkaar gelegen cilinders, interacties tussen de stromen rond aangrenzende cilinders creëren ook trillingen. De invloed van deze zog-geïnduceerde trillingen is slecht begrepen, en er is nog geen coherente theorie voor ontwikkeld.

Nutsvoorzieningen, Vinh Tan Nguyen, Wai Hong Ronald Chan en Hoang Huy Nguyen van het A*STAR Institute of High Performance Computing hebben een computationele vloeistofdynamica-benadering gebruikt om zog-geïnduceerde trillingen onder verschillende stromingsomstandigheden te modelleren.

Het team gebruikt een numeriek model voor interacties tussen vloeistofstructuren, die rekening houdt met de gekoppelde effecten van wervelingen op structuurreacties en vice versa. Ze testten de betrouwbaarheid van hun aanpak door de numerieke voorspelling te vergelijken met de resultaten van twee recente experimentele onderzoeken. De overeenkomst was redelijk goed, en de simulatie was in staat om de empirische waarneming te voorspellen dat een verhoogde stroomsnelheid leidt tot trillingen met hogere amplitude. Opmerkelijk, in tegenstelling tot een enkele cilinder, de responsamplitude blijft groot naarmate de stroomsnelheid toeneemt, zelfs weg van de lock-in frequentie. Dit fenomeen is een punt van zorg voor stijgbuizen die worden ingezet in diepzeeomstandigheden in een tandemopstelling.

"We werken aan een beter begrip van die verschijnselen vanuit een meer gedetailleerd vloeistofdynamisch perspectief, ", zegt Vinh-Tan Nguyen. "Uiteindelijk willen we dit gedrag volledig karakteriseren en een efficiënt hulpmiddel bieden voor ingenieurs om stijgleidingen en offshore-constructies in die vergelijkbare omstandigheden beter te ontwerpen."