Application of control methods to fluid mechanics problems: flow past a cylinder

Μαστρόκαλος, Μάριος

dc.contributor.author	Μαστρόκαλος, Μάριος	el
dc.date.accessioned	2016-03-22T10:24:46Z
dc.date.available	2016-03-22T10:24:46Z
dc.date.issued	2016-03-22
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42213
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.2037
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	ροή γύρω από κύλινδρο	el
dc.subject	παθητικός και ενεργός έλεγχος	el
dc.subject	βελτιστοποίηση	el
dc.subject	αναίρεση δρόμου δινών	el
dc.subject	υδροδυναμική αστάθεια	el
dc.subject	flow past a cylinder	en
dc.subject	passive and active flow control	en
dc.subject	optimization	en
dc.subject	vortex street cancellation	el
dc.subject	hydrodynamic instability	el
dc.title	Application of control methods to fluid mechanics problems: flow past a cylinder	en
dc.contributor.department	Ναυτικής Μηχανολογίας	el
heal.type	doctoralThesis
heal.secondaryTitle	Eφαρμογή μεθόδων ελέγχου σε προβλήματα ρευστομηχανικής: ροή γύρω από κύλινδρο	el
heal.classification	Ρευστομηχανική	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-02-01
heal.abstract	The optimal suppression of the Kármán vortex street in flow past a circular cylinder, by use of either, passive, active open-loop or active feedback control schemes is investigated by coupling a CFD solver with an optimization tool. The control action consists of either application of slip conditions or mass transpiration on the cylinder surface. The results are interepreted by means of local and global instability calculations utilizing an Orr-Sommerfeld solver and signal processing based on the Stuart-Landau model, respectively. The study is limited to two-dimensional flow at low Reynolds numbers, Re<180, where the non-manipulated flow is either steady or characterized by vortex shedding. Firstly, steady slip conditions are applied on a part or on the entire cylinder surface utilizing a passive control scheme. For slip conditions applied on the entire cylinder surface, the present results demonstrate the stabilizing effect of increasing the non-dimensional slip length, b=b/D, b being the slip length and D the cylinder diameter, in agreement with recent studies. In particular, the Kármán vortex street is supressed at a critical value of b, which is an increasing function of Re. Further, it is shown that, for the same levels of b*, the wake can be stabilized by implementing slip conditions only on a part of the cylinder surface. Guided by this observation, the problem of fully or partially suppressing the Kármán vortex street by means of a partially hydrophobic cylinder is addressed by formulating a multi-objective optimization problem, in which the product of slip length and hydrophobic area quantifies the control effort; a second objective function, characterizing flow unsteadiness, is thereby introduced. The optimization results demonstrate that, both for full and partial suppression of the Kármán vortex street, a proper use of partial hydrophobicity can lead to a significant reduction in passive control effort, in comparison to the case of the fully hydrophobic cylinder. Computed optimal solutions of the Pareto front are characterized by means of local stability calculations based on an Orr-Sommerfeld solver. It is shown that flow stabilization is attained when a global intensity of absolute instability, involving local absolute growth rates and the streamwise extent of absolute instability, is sufficiently reduced. Further characterization of the flow stability is performed by means of transient lift coefficient signal analysis in the frame of the Stuart-Landau equation. Secondly, steady mass transpiration is introduced on the cylinder surface. Three regimes on the cylinder surface are considered: (a) the front stagnation point region, (b) the rear stagnation point region, and (c) the region in-between. First, parametric studies are performed, by introducing suction or blowing on each of the three regimes, and assessing the effects on the global stability of the flow. Guided by these results, a multi-objective optimization problem is formulated, aiming at the partial or full suppression of the Kármán vortex street, at a minimal control effort. In this setup, blowing is applied on the rear stagnation point regime, while suction velocities of different magnitude are considered for the front stagnation point and the sideway regimes. A zero net transpiration flow rate is imposed. The absolute value of suction/blowing flow rate quantifies the control effort, while a second objective function, characterizing flow unsteadiness, is also introduced. The goal of optimization is to find proper combinations of the extent of the three regimes, as well as the corresponding suction/blowing velocities, which minimize simultaneously the two objective functions. The calculation of the optimal flow fields demonstrates that flow stabilization can be attained with a control effort substantially lower in comparison to previous literature studies. Optimal solutions are characterized by means of local stability analysis, as well as analysis of transient lift signals. Finally, in order to attain partial or complete vortex street cancellation, by even lower levels of control effort, two proportional feedback control schemes are developed, utilizing both control actions introduced above. In the first feedback control scheme, actuation consists in time-dependent mass transpiration, while, in the second one, in time-dependent slip conditions. In both cases, the feedback signal is generated based on a velocity measurement in the near wake. Further, for both feedback control schemes, optimization problems are developed, aiming at the partial or full cancelation of the vortex street at a minimal control effort. In comparison to passive flow control, a reduction in control effort by two orders of magnitude is attained with the present optimized feedback control schemes.	en
heal.abstract	Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται υπολογιστικά η βέλτιστη αναίρεση του δρόμου δινών von Kármán σε ροή γύρω από κύλινδρο, με χρήση σχημάτων παθητικού ελέγχου, ενεργού ελέγχου ανοικτού βρόχου και ελέγχου ανατροφοδότησης. Αυτό κατέστη δυνατό με σύζευξη ενός κώδικά υπολογιστικής ρευστοδυναμικής με έναν κώδικα βελτιστοποίησης. Η δράση ελέγχου συνίσταται είτε στην εφαρμογή συνθηκών ολίσθησης είτε στη χρήση εμφύσησης/αναρρόφησης, στην επιφάνεια του κυλίνδρου. Τα αποτελέσματα ερμηνεύονται στο πλαίσιο περαιτέρω υπολογισμών τοπικής και ολικής υδροδυναμικής ευστάθειας, με επίλυση της εξίσωσης Orr-Sommerfeld, και με επεξεργασία σήματος βάσει του μοντέλου Stuart-Landau, αντίστοιχα. Η μελέτη διεξάγεται για διδιάστατη ροή, σε χαμηλές τιμές του αριθμού Reynolds, Re<180, όπου η ροή χωρίς την εφαρμογή δράσης ελέγχου είτε είναι ολικά ευσταθής είτε χαρακτηρίζεται από την παρουσία δρόμου δινών. Σε πρώτο στάδιο, μελετάται η εφαρμογή χρονικά σταθερών συνθηκών ολίσθησης σε όλη την επιφάνεια του κυλίνδρου ή σε τμήμα αυτής, στο πλαίσιο ενός σχήματος παθητικού ελέγχου. Στην περίπτωση εφαρμογής συνθηκών ολίσθησης σε ολόκληρη την επιφάνεια του κυλίνδρου, τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας, σε συμφωνία με πρόσφατες μελέτες, καταδεικνύουν τη σταθεροποιητική επίδραση της αύξησης του αδιάστατου μήκους ολίσθησης, b=b/D, όπου b είναι το μήκος ολίσθησης και D η διάμετρος του κυλίνδρου. Συγκεκριμένα, ο δρόμος δινών von Kármán αναιρείται για μια κρίσιμη τιμή του b, η οποία είναι αύξουσα συνάρτηση του Re. Επιπλέον, καταδεικνύεται ότι, για συγκεκριμένα επίπεδα του b*, o ομόρρους μπορεί να σταθεροποιηθεί με εφαρμογή συνθηκών ολίσθησης σε τμήμα μόνο της επιφάνειας του κυλίνδρου. Με βάση αυτή την παρατήρηση, επιλύθηκε το πρόβλημα της πλήρους ή μερικής αναίρεσης του δρόμου δινών von Kármán με εφαρμογή τμηματικής υδροφοβικότητας στην επιφάνεια του κυλίνδρου. Αυτό κατέστη δυνατό με διαμόρφωση ενός προβλήματος πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, στο οποίο το γινόμενο του μήκους ολίσθησης επί την έκταση της υδροφοβικής περιοχής ποσοτικοποιεί τη δράση ελέγχου, ενώ η αστάθεια της ροής χαρακτηρίζεται από μια δεύτερη, κατάλληλα ορισμένη, αντικειμενική συνάρτηση. Τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης καταδεικνύουν ότι, τόσο για περιπτώσεις πλήρους, όσο και για περιπτώσεις μερικής αναίρεσης του δρόμου δινών von Kármán, κατάλληλη χρήση τμηματικής υδροφοβικότητας μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική μείωση της απαιτούμενης δράσης ελέγχου, σε σύγκριση με την περίπτωση εφαρμογής υδροφοβικότητας σε όλη την επιφάνεια του κυλίνδρου. Αντιπροσωπευτικές βέλτιστες λύσεις του μετώπου Pareto χαρακτηρίζονται με χρήση υπολογισμών τοπικής υδροδυναμικής ευστάθειας (επίλυση της εξίσωσης Orr-Sommerfeld). Τα αποτελέσματα δεικνύουν ότι η σταθεροποίηση της ροής επιτυγχάνεται όταν μειώνεται σημαντικά μια κατάλληλα ορισμένη ολική ένταση της απόλυτης αστάθειας (σε συνάρτηση με τους τοπικούς απόλυτους ρυθμούς ενίσχυσης διαταραχών και την έκταση της περιοχής απόλυτης αστάθειας). Τέλος, χαρακτηρίζεται η ολική αστάθεια της ροής, με ανάλυση χρονοσειρών του συντελεστή άνωσης στο πλαίσιο της εξίσωσης Stuart-Landau. Σε δεύτερο στάδιο, μελετάται η εφαρμογή χρονικά σταθερής εμφύσησης/αναρρόφησης στην επιφάνεια του κυλίνδρου, στο πλαίσιο ενός σχήματος ενεργού ελέγχου ανοικτού βρόχου. Εν προκειμένω, θεωρούνται τρεις περιοχές στην επιφάνεια του κυλίνδρου: (α) η περιοχή του εμπρός σημείου ανακοπής, (β) η πλάγια περιοχή, και (γ) η περιοχή του πίσω σημείου ανακοπής. Αρχικά, γίνεται παραμετρική μελέτη, στο πλαίσιο της εφαρμογής αναρρόφησης ή εμφύσησης σε καθεμία από τις τρεις ως άνω περιοχές, και αξιολογείται η επίδραση της δράσης ελέγχου στην ευστάθεια της ροής. Με οδηγό τα συγκεκριμένα αποτελέσματα, διαμορφώνεται ένα πρόβλημα πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, με στόχο τη μερική ή πλήρη αναίρεση του δρόμου δινών von Kármán, με χρήση της ελάχιστης δυνατής δράσης ελέγχου. Εδώ, εφαρμόζεται εμφύσηση στην περιοχή του πίσω σημείου ανακοπής, και αναρρόφηση στην περιοχή του εμπρός σημείου ανακοπής και στην πλάγια περιοχή, με ταχύτητα διαφορετικού μέτρου σε καθεμία από τις εν λόγω τρεις περιοχές. Για την ελαχιστοποίηση των απαιτήσεων άντλησης του ρευστού, επιβάλλεται ο περιορισμός της μηδενικής καθαρής παροχής μάζας. Ο στόχος της βελτιστοποίησης είναι η εύρεση των βέλτιστων συνδυασμών έκτασης των τριών περιοχών, καθώς και των αντίστοιχων ταχυτήτων αναρρόφησης/εμφύσησης, ώστε να ελαχιστοποιούνται ταυτόχρονα οι ορισθείσες δύο αντικειμενικές συναρτήσεις, οι οποίες ποσοτικοποιούν τη δράση ελέγχου και την αστάθεια της ροής. Οι προκύπτουσες βέλτιστες λύσεις αντιστοιχούν σε επίπεδα δράσης ελέγχου σημαντικά μειωμένα, σε σύγκριση με αντίστοιχες μελέτες της βιβλιογραφίας. Αντιπροσωπευτικές βέλτιστες λύσεις του μετώπου Pareto χαρακτηρίζονται με υπολογισμούς τοπικής υδροδυναμικής ευστάθειας, καθώς και με ανάλυση χρονοσειρών του συντελεστή άνωσης. Τέλος, σε τρίτο στάδιο, τίθεται ο στόχος της πλήρους ή μερικής αναίρεσης του δρόμου δινών με χρήση ακόμη χαμηλότερων επιπέδων δράσης ελέγχου, με εφαρμογή δύο σχημάτων ενεργού ελέγχου ανατροφοδότησης, βασισμένων στις δράσεις ελέγχου της παρούσας διατριβής. Συγκεκριμένα, στο πρώτο σχήμα ελέγχου ανατροφοδότησης, η δράση ελέγχου συνίσταται στην εφαρμογή χρονικά μεταβαλλόμενης αναρρόφησης/εμφύσησης, ενώ, στο δεύτερο σχήμα, στην εφαρμογή χρονικά μεταβαλλόμενων συνθηκών ολίσθησης στην επιφάνεια του κυλίνδρου. Καί στις δύο περιπτώσεις, το σήμα ανατροφοδότησης παράγεται βάσει μέτρησης της ταχύτητας σε ένα σημείο στον εγγύ ομόρρου. Στην παρούσα έρευνα, διαμορφώνονται και επιλύονται δύο προβλήματα βελτιστοποίησης, με στόχο τη μερική ή πλήρη αναίρεση του δρόμου δινών με χρήση της ελάχιστης δυνατής δράσης ελέγχου ανατροφοδότησης. Σε σύγκριση με τα προηγούμενα σχήματα ελέγχου της παρούσας διατριβής, τα παρόντα βελτιστοποιημένα σχήματα ελέγχου ανατροφοδότησης επιτυγχάνουν μείωση της δράσης ελέγχου κατά δύο τάξεις μεγέθους.	el
heal.sponsor	Υποτροφία ΕΛΚΕ διάρκειας (04) τεσσάρων ετών	el
heal.advisorName	Kαϊκτσής, Λάμπρος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Τριανταφύλλου, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Κουμουτσάκος, Πέτρος	el
heal.committeeMemberName	Κωνσταντινίδης, Ευστάθιος	el
heal.committeeMemberName	Παπαλάμπρου, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Τζαμπίρας, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	110
heal.fullTextAvailability	true