Analysis of stationary and non-stationary phenomena in turbulent subcritical flow behind two parallel cylinders

Abstract

This study presents the analysis of the bistable phenomenon for turbulent flows around two cylinders side-by-side using two methods for data analysis and chaos theory for dynamic analysis. The experimental data were acquired for various Reynolds numbers and pitch-todiameter ratio p/D of 1.16, 1.26, and 1.60, cylinders diameter was 25.1 mm. The experimental technique consists of measuring the velocity fluctuations in an aerodynamic channel using hot-wire anemometry. The study presents the application of the Hilbert-Huang transform (HHT) as a tool of analysis for non-stationary and non-linear signals. The method was first validated using single cylinders and then extended for two cylinders side-by-side. Results show that the HHT method may provide information about particular events in timefrequency space and about the physics of flow scales. The statistical analysis of the experimental data is performed to identify statistical patterns that can be used to characterize the bistable flow. The signals are scanned by a moving window for the statistical analysis, creating blocks of probability density functions (PDFs). The four first statistical moments of each PDF are calculated, and a tendency of behavior based on their variations is established. The dynamics of the bistable flow system are studied applying chaos theory tools, like the largest Lyapunov exponent. The strange attractors of the velocity-time series are reconstructed, and their topology is useful to understand the physics of the bistable system. Each flow wake mode is analyzed separately. A general model of the bistable flow is reconstructed using probability functions. The application of a set of tools in the analysis of the turbulent wake behind cylinders is useful for the comprehension of turbulent phenomena, producing meaningful results and allowing the identification of turbulent structures and flow scales, and a better understanding of the system dynamics.

Este estudo apresenta a análise do fenômeno da biestabilidade no escoamento em torno de dois cilindros lado a lado usando dois métodos para análise de sinais, e teoria do caos para a análise da dinâmica. Os dados experimentais foram adquiridos para vários números de Reynolds e várias razões de aspecto p/D de 1,16, 1,26 e 1,60, o diâmetro dos cilindros é de 25,1 mm. A técnica experimental utilizada consiste em medir as flutuações de velocidade em um canal aerodinâmico utilizando anemometria de fio quente. O estudo apresenta a aplicação da transformada de Hilbert-Huang (HHT) como ferramenta de análise para sinais não estacionários e não lineares. O método é primeiramente validado utilizando sinais experimentais para um cilindro sobre escoamento turbulento e após aplicado ao escoamento sobre dois cilindros lado a lado. Resultados mostram que o método de HHT fornece não só uma definição mais precisa de eventos específicos no espaço tempo-frequência, mas também permite uma interpretação física mais significativa dos processos dinâmicos das escalas do escoamento. A análise estatística dos dados experimentais é feita com o objetivo de identificar padrões estatísticos que possam ser utilizados para caracterização do escoamento biestável. Para a análise estatística os dados são varridos por uma janela móvel, criando blocos de funções densidade de probabilidade (PDFs). Os quatro primeiros momentos estatísticos são calculados e é possível estabelecer uma tendência de comportamento baseada em suas variações. A dinâmica do sistema biestável é estudada aplicando ferramentas da teoria do caos, como o maior expoente de Lyapunov. O atrator estranho da série temporal da velocidade é reconstruído e sua topologia é utilizada para melhor compreensão do comportamento físico do fenômeno da biestabilidade. Cada esteira do escoamento biestável é analisada separadamente. Um modelo geral do escoamento biestável é reconstruído utilizando funções de probabilidade. A aplicação de um conjunto de ferramentas para a análise da turbulência das esteiras dos cilindros é útil para a melhor compreensão de fenômenos turbulentos, produzindo resultados significativos e permitindo a identificação de estruturas turbulentas e escalas do escoamento e um entendimento sobre a dinâmica do sistema.