Numeerisen virtauslaskennan hyödyntäminen teollisuussavupiipun kantavan rakenteen mitoituksessa
Komulainen, Janne (2022)
Diplomityö
2022
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022112867291
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022112867291
Tiivistelmä
Korkeuteensa nähden kapeilla rakenteilla ilmenee tuulensuuntaisen kuorman lisäksi epävakaan virtauksen aiheuttamia kuormituksia. Ilmavirtaus voi aiheuttaa dynaamisia kuormituksia tuulen suunnassa, sekä ohivirtauksen yhteydessä poikittaista vaihtelevaa kuormitusta. Etenkin poikittaiset kuormitukset ovat usein rakenteen kestävyyden kannalta merkittäviä.
Työssä keskitytään ohivirtauksen aiheuttamien herätevoimien määrittelyyn numeerisella virtauslaskennalla. Rakenteen dynamiikasta aiheutuvien kuormitusten määrittely suoritetiin elementtimenetelmää ja vaimennetun harmonisen vasteen analyysiä hyödyntäen. Saatuja tuloksia verrataan standardin mukaiseen mitoitusmenetelmään.
Laskentamenetelmä antoi lupaavia tuloksia rakenteelle aiheutuvien kuormitusten osalta. Vertailu suoritettiin EN 1991-1-4 liitteen E menetelmän 2 mukaan määritettyjen rakenteen suurimman siirtymävasteen ja tukireaktioiden arvoihin. Tietyillä rakenteellisilla ominaisuuksilla saavutettiin standardin mukaisia arvoja matalampia kuormitusarvoja. Menetelmän tarkkuuden parantamiseksi aerodynaamisen vaimennuksen määrittämistä numeerisella virtauslaskennalla on syytä tutkia lisää. Beside traditional wind loads tall and slender structures may expose to loads due to unstable flow. Unstable flow can cause additional dynamic loading in direction of the wind and in cross wind direction. Flow around the cylinder can turn into unstable flow and cause significant cross wind loading for the load bearing structure.
In this Thesis Computational Fluid Dynamics is used to determine the excitation forces from the flow around the cylinder. Loading due to dynamic behavior of the structure is determined using Finite Element Method and damped harmonic analysis. Results are compared to values determined according to design standard.
Calculation method gave promising results for the determination of the loading. Comparison of the results was made by using EN 1991-1-4 annex E method 2 maximum displacement values and support reactions. Certain structural characteristics show that the calculation method can give smaller load values for the load bearing structure. In order to improve the accuracy of the calculation method, it is recommended to study more about the determination of the aerodynamic damping by using the Computational Fluid Dynamics.
Työssä keskitytään ohivirtauksen aiheuttamien herätevoimien määrittelyyn numeerisella virtauslaskennalla. Rakenteen dynamiikasta aiheutuvien kuormitusten määrittely suoritetiin elementtimenetelmää ja vaimennetun harmonisen vasteen analyysiä hyödyntäen. Saatuja tuloksia verrataan standardin mukaiseen mitoitusmenetelmään.
Laskentamenetelmä antoi lupaavia tuloksia rakenteelle aiheutuvien kuormitusten osalta. Vertailu suoritettiin EN 1991-1-4 liitteen E menetelmän 2 mukaan määritettyjen rakenteen suurimman siirtymävasteen ja tukireaktioiden arvoihin. Tietyillä rakenteellisilla ominaisuuksilla saavutettiin standardin mukaisia arvoja matalampia kuormitusarvoja. Menetelmän tarkkuuden parantamiseksi aerodynaamisen vaimennuksen määrittämistä numeerisella virtauslaskennalla on syytä tutkia lisää.
In this Thesis Computational Fluid Dynamics is used to determine the excitation forces from the flow around the cylinder. Loading due to dynamic behavior of the structure is determined using Finite Element Method and damped harmonic analysis. Results are compared to values determined according to design standard.
Calculation method gave promising results for the determination of the loading. Comparison of the results was made by using EN 1991-1-4 annex E method 2 maximum displacement values and support reactions. Certain structural characteristics show that the calculation method can give smaller load values for the load bearing structure. In order to improve the accuracy of the calculation method, it is recommended to study more about the determination of the aerodynamic damping by using the Computational Fluid Dynamics.