POLITECNICO DI MILANO Facoltà di Ingegneria Dipartimento di

GRUPPO DI MECCANICA APPLICATA
POLIITECNICO DI MILANO
18-19 giugno 2004
Stato della Ricerca
La ricerca nel
Dipartimento di Meccanica
del Politecnico di Milano:
PROGETTO PRIN
Vibrazioni indotte da fluidi in
strutture meccaniche
La ricerca nel Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano
Vibrazioni indotte da fluidi in strutture meccaniche
coordinatore nazionale e locale: prof. Giorgio Diana
Obiettivi della ricerca:
Analisi delle vibrazioni indotte dal
distacco di vortici al variare dei seguenti
parametri:
1.Effetto di bloccaggio
2.Turbolenza
3.Modo di vibrare
4.Rapporto di allungamento
5.Formazione del fascio
Valutazione dell’efficienza dei
dispostivi smorzanti
La ricerca nel Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano
Vibrazioni indotte da fluidi in strutture meccaniche
UNITA’ OPERATIVE
• Politecnico di Milano (Dipartimento di Meccanica)
•Politecnico di Milano (Dipartimento di Ingegneria
Idraulica, Ambientale e del Rilev. Università di Brescia
(Dipartimento di Ingegneria Meccanica)
• Università di Genova (Ingegneria Strutturale e
Geotecnica)
Cofinanziamento MIUR: EUR 103.100
Quota Ateneo: EUR 44.200
Totale: EUR 147.300
La ricerca nel Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano
Unità operativa: Dipartimento di Meccanica Politecnico di Milano
Analisi sperimentale delle vibrazioni indotte dal distacco di
vortici su strutture cilindriche ad alto allungamento:
•Cilindro singolo
•Coppia di cilindri
Obbiettivi della ricerca:
• Ampiezza dell’intervallo di sincronizzazione
• Ampiezza del ciclo limite
• Energia introdotta dal fluido
• Analisi anemometriche in scia
• Analisi del comportamento al variare del modo di vibrare
Vibrazioni indotte da fluidi in strutture meccaniche
Modello e set-up sperimentale: cilindro singolo
Caratteristiche principali modello:
Strumentazione:
Diametro aerodinamico
0.055 m
2 accelerometri cross-flow (1/4 e 1/3 campata)
Lunghezza
12.3 m
2 accelerometri in-line (1/4 e 1/3 campata)
0.89 kg/m
2 Tubi di pitot
Tiro
7000 N
2 Anemometri a filo caldo doppia componente
Prima frequenza propria
3.77 Hz
1 Anemometro a filo caldo monocomponente
Massa lineica
Vibrazioni indotte da fluidi in strutture meccaniche
Modello e set-up sperimentale: coppia di cilindri
Strumentazione:
Interasse
550 mm (10 diametri)
Angolo di attacco
Prima frequenza propria
4 accelerometri cross-flow (1/4 1/3 campata 2U.W.
2D.W.)
0°
4 accelerometri in-line (1/4 1/3 2U.W. 2U.W.)
3.6 Hz
2 Tubi di pitot
2 Anemometri a filo caldo doppia componente
1 Anemometro a filo caldo monocomponente
Vibrazioni indotte da fluidi in strutture meccaniche
Programma sperimentale
 Prove di regime progressivo  Ampiezze di vibrazione
 Prove di regime progressivo  Ampiezze campi di sincronismo
 Prove di build-up
 Energia introdotta
Modi di vibrare indagati : Primo e secondo per il cilindro singolo
Primo e secondo con cilindri in fase e in
controfase per il binato
Per tutti i tipi di prova analisi dei segnali anemometrici
Vibrazioni indotte da fluidi in strutture meccaniche
Intervalli di lock-in: primo e secondo modo di vibrare
0.8
Down
Up
0.7
Condizioni di regime
progressivo
0.6
0.5
u/
D 0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2 1.3
V/Vs
1.4
1.5
1.6
0.8
1.7
1.8
Up
0.7
Down
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.7
Cilindro singolo
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Il secondo modo non
presenta la biforcazione e
mostra in maniera meno
marcata la presenza
dell’isteresi
Vibrazioni indotte da fluidi in strutture meccaniche
Calcolo della potenza introdotta
La potenza è calcolata utilizzando il decremento logaritmico e utilizzando lo
smorzamento funzione dell’ampiezza:
u
u
u
     S     AER  
 D
 D
 D
2
P
m u
P  3 4  2 2 2   
f D L
D D
Incertezze nel calcolo della potenza legate allo smorzamento strutturale, al tipo
di modello (rigido o deformabile) e al modo di vibrare considerato
Vibrazioni indotte da fluidi in strutture meccaniche
Confronto con i dati di letteratura
Modelli flessibili
Modelli sezionali
Presente lavoro
Modello flessibile
Presente studio
Vibrazioni indotte da fluidi in strutture meccaniche
Confronto tra i differenti modi di vibrare eccitati
30.0
W/m/(Hz^3*m^4)
25.0
20.0
15.0
I mode
II mode
10.0
5.0
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
u/D
Stessa potenza introdotta per
i tre modi di vibrare
P
WIN  3 4
f D L
Vibrazioni indotte da fluidi in strutture meccaniche
Binato: intervalli di lock-in, primo modo in fase e controfase
Moto in fase:
Ampiezza
degli
intervalli
di
sincronizzazione maggiore che nel
caso del singolo
Fase tra spostamento e segnale
anemometrico fortemente legata alla
ampiezza di vibrazione
Moto in controfase:
L’anemeometro posto tra I cilindri
mostra un andamento della fase
molto diverso rispetto al caso del
moto in fase, la fase del vortice sul
secondo
cilindro
determina
l’eccitazione del modo in fase o in
contofase.
Vibrazioni indotte da fluidi in strutture meccaniche
Binato: potenza introdotta
20.0
Singolo vs. binato:
18.0
16.0
La potenza introdotta segue la stessa
legge in funzione dell’ampiezza di
vibrazione sia per il cilindro singolo
sia per la coppia di cilindri
W/m/(Hz^3*m^4)
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
Single I mode
Bundle I mode
2.0
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Differenti modi binato:
0.7
u/D
Come per il cilindro singolo l’energia
introdotta non cambia al variare del
modo di vibrare eccitato.
20.0
18.0
16.0
W/m/(Hz^3*m^4)
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
I Mode
II Mode
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
u/D
0.5
0.6
0.7