Modelling of Plates in Free Fall: Development of a Predictive Trajectory Model by an Experimental and Numerical Approach
Author
Simonsen, Anders Schou
Term
4. term
Education
Publication year
2015
Submitted on
2015-06-03
Pages
77
Abstract
At modellere bevægelsen af ikke-kugleformede objekter er vigtigt i mange sammenhænge. Ofte forenkles problemet ved at antage kugleform, fordi kuglers bevægelse er velbeskrevet. Det ser imidlertid bort fra, hvordan objektet er orienteret, og hvordan bevægelsen ændrer sig over tid—forhold, der er afgørende for at forudsige banen korrekt. Denne afhandling undersøger frit faldende plader og kombinerer eksperimenter og simuleringer for at udvikle en hurtig og præcis model, der forudsiger deres bane. Vi udvikler en CFD-model (computational fluid dynamics) og verificerer den ved at sammenligne de forudsagte baner med målte baner. Modellen anvendes i en parametrisk undersøgelse, hvor centrale parametre varieres. Den endelige banemodel bygger primært på uviskøs (ingen viskositet) og irrotationel (uden strømningsrotation) teori. Vi udvikler en panelmetode til at beregne tilføjet masse (den tilsyneladende ekstra inerti fra det omgivende fluid) og cirkulationskoefficienter (hvor meget strømningen cirkulerer omkring pladen) og kobler disse til modellen. Det muliggør præcise forudsigelser for mange pladetyper og -tætheder. Til sidst sammenlignes modellen med et publiceret regimekort, hvor bevægelsen klassificeres via Reynolds-tal (Re), og der ses god overensstemmelse. Vi foreslår desuden et nyt dimensionsløst tal (en enhedsløs størrelsesratio) til generel klassifikation af frit faldende objekters bevægelse, som giver tydeligere adskilte områder.
Modeling the motion of non-spherical objects matters in many applications. It is often simplified by assuming spheres, because their motion is well documented. However, this ignores orientation and time-dependent changes—factors that are crucial for predicting the path accurately. This thesis studies freely falling plates and combines experiments with simulations to build a fast, accurate trajectory model. We develop a CFD (computational fluid dynamics) model and verify it by matching predicted paths to measured ones. The model is then used in a parametric study by varying key parameters. The resulting trajectory model is based mainly on inviscid (no viscosity) and irrotational (no swirl) flow theory. We create a panel method to compute added mass (apparent extra inertia from the surrounding fluid) and circulation coefficients (how much the flow circulates around the plate) and couple these to the model. This enables accurate predictions across a wide range of plate geometries and densities. Finally, we compare the model to a published regime map that classifies motion by the Reynolds number (Re) and find good agreement. We also propose a new dimensionless number (a unitless ratio) for general motion classification of freely falling objects, which produces more clearly separated regions.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents