Desta Milkessa Edessa, Universität Rostock; Michael Holtmann, DNV-GL, Hamburg; Patrick Kaeding, Universität Rostock
Die Interaktion zwischen Fluid und zylindrischen Strukturen stellt ein komplexes interdisziplinäres Phänomen dar, das in der Vergangenheit ausgiebig untersucht wurde. Dies ist nicht überraschend, weil zylindrische Schalen und Wellen häufige Konstruktionselemente sind. Die Bestimmung der Schwingungsmoden ist ein wichtiger Schritt in der Schwingungsanalyse der Interaktion von zylindrischen Strukturen und Fluid. Im Vortrag wird die Schwingungsanalyse von zwei unterschiedlichen Anordnungen von Fluid und zylindrischer Struktur betrachtet: zunächst eine Welle, die vom Fluid (Öl) innerhalb eines konzentrischen Rohres umgeben ist, das wiederum in infinites Fluid eingetaucht ist (z.B. Stevenrohr); zweitens ein flüssigkeitsgefülltes Rohr, das in einem zweiten, teilweise gefüllten Rohr verläuft, das wiederum von Flüssigkeit umgeben ist (z.B. Abflussleitungen). Zu beiden Anwendungsfällen werden systematische Schwingungsanalysen mit der FE-Methode beschrieben, wobei das Fluid durch akustische finite Elemente abgebildet wird. Die Untersuchungen beinhalten Aussagen zu Eigenfrequenzen, Schwingungsformen und hydrodynamischen Zusatzmassen. Betrachtungen zur Netzkonvergenz und Parametervariationen werden ebenfalls präsentiert. Zusätzlich zur Eigenschwingungsanalyse werden harmonische Frequenzganganalysen beschrieben. Die Ergebnisse zeigen, dass die Eigenfrequenzen der Biegeschwingungen der untersuchten Anordnungen sehr stark durch die Fluid-Struktur-Interaktion beeinflusst werden, z.B. verringern sich die unteren drei Eigenfrequenzen der untersuchten Abflussleitung um bis zu 75%. Dementsprechend wirkt sich die Eigenfrequenzabnahme in einem Strukturelement durch die Flüssigkeitskopplung auch auf andere Strukturelemente aus. Als Ganzes liefert diese Arbeit wichtige Ausgangsparameter für weitere Untersuchungen der Fluid-Struktur-Interaktion, um Konstruktionen zu verbessern sowie den sicheren Betrieb dieser Konstruktionen zu ermöglichen.
Desta Milkessa Edessa, Universität Rostock; Michael Holtmann, DNV-GL, Hamburg; Patrick Kaeding, Universität Rostock
The interaction between fluid and cylindrical structures has received extensive research focus over the past decades, and much effort has been paid to investigate the various aspects of this complex multi-physics phenomenon. This is not surprising since circular cylindrical shells and shafts are one of the most commonly used construction members in a wide variety of engineering structures. An important step in vibration analysis of fluid cylindrical structures interaction is the evaluation of their vibration modal characteristics. This work presents the bending vibration analysis of fluid cylindrical structure with two different arrangements and dynamic conditions. First, shaft surrounded by fluid (oil) confined concentrically by outer cylindrical tubes and immersed in infinite fluid (e.g. stern tube) and second, cylindrical pipe filled with fluid and confined in cylindrical fluid domain (sea water) confined concentrically by cylindrical outer tube surrounded by infinite fluid (e.g. overboard discharge line). For both engineering applications, systematic and parametric vibration analyses are investigated considering the system as acoustic fluid structural interaction using the finite element method. The natural vibration characteristics including added masses, mesh adaptation and parametric studies are described and also harmonically forced bending vibration analysis has been carried out. The results reveal that the bending natural frequencies of the structural elements are very much influenced by the interaction. For instance it is found for the overboard discharge line that the pipe natural frequencies decrease by up to 75% for the first three mode shapes. Consequently, the natural frequency variation in one structural element also affects the vibration characteristics of other structural element as they are coupled by fluid elements. In general the work provides important design parameters for further fluid structure interaction investigations in order to improve design margins and to ensure safe and satisfactory operating performance of the structural elements.