Aerodynamical instability of web

Diplomityön tavoitteena oli tutkia miten ilman turbulenttisuus vaikuttaa tasaisesti liikkuvan rainan tilaan. Yhtenä sovelluskohteena teollisuudessa voidaan mainita esimerkiksi leiju-kuivain. Tiedetään, että konenopeuksien kasvu ja siitä johtuva ilmavirran nopeuden kasvu aiheuttaa voimavaikutuksia rainaan ja voi aiheuttaa lepatusta. Lepatus johtaa dynaamiseen epästabiilisuuteen, joka voidaan havaita, kun lineaarinen systeemi tulee epävakaaksi ja joh-taa epälineaariseen, rajoitettuun värähtelyyn. Lepatus huonontaa tuotteiden laatua ja voi johtaa ratakatkoihin. Työssä on esitetty tietoa ilman ja rainan vuorovaikutuksesta, jota hyödyntämällä voidaan kehittää yksinkertaistettu malli, jonka avulla liikkuvaa rainaa voidaan simuloida kuivaimes-sa. Kaasufaasin virtausyhtälöt on ratkaistu eri turbulenttimalleja käyttäen. Myös viskoelas-tisen rainan muodonmuutosta on tarkasteltu. Koska rainalle ei ole kirjallisuudesta saatavilla tarkkoja fysikaalisia ja mekaanisia arvoja, näitä ominaisuuksia testattiin eri arvoilla, jotta rainan käyttäytymistä jännityksen alaisena voidaan tarkastella. Näiden ominaisuuksien tun-teminen on ensiarvoisen tärkeää määritettäessä rainan aeroviskoelastista käyttäytymistä. Virtaussimulointi on kallista ja aikaa vievää. Tämä tarkoittaa uusien tutkimusmenetelmien omaksumista. Tässä työssä vaihtoehtoisena lähestymistapana on esitetty yksinkertaistettu malli, joka sisältää ilman ja rainan vuorovaikutusta kuvaavat ominaisuudet. Mallin avulla saadaan tietoa epälineaarisuuden ja turbulenssin vaikutuksesta sekä monimutkaisesta yh-teydestä stabiilisuuden ja ulkoisesti aikaansaadun värähtelyn sekä itse aiheutetun värähtelyn välillä. Työn lopussa on esitetty havainnollinen esimerkki, jolla voidaan kuvata olosuhteita, jossa rainan tasainen liike muuttuu epävakaaksi. Kun turbulenttisuudesta johtuva painevaih-telu ylittää tietyn rajan, rainan värähtely kasvaa muuttuen satunnaisesta järjestäytyneeksi. Saaduttulokset osoittavat, että turbulenttisuudella on suuri vaikutus eikä sitä voi jättää huomioimatta. Myös rainan viskoelastiset ominaisuudet tulee huomioida, jotta rainan käyt-täytymistä voidaan kuvata tarkasti.

The aim of this thesis was to investigate importance of the fluid turbulence in disturbing the stable movement of a running web whose thickness is of order of millimeterin an industrial system such as a dryer. It is well known that by increasing the operation speed and the drying air-flow rate the aerodynamic forces acting on web could cause flutter. The flutter indicates the onset of dynamic instability which can be observed when a linear system becomes unstable resulting in a nonlinear, limit cycle oscillation. Flutter reduces the quality of the product or it can also causes the web breaks. In this work a detailed overview is presented of fluid-web interactions (FSI) useful for developing a simplified model for simulations of a running web in an industrial dryer. The governingequations of the fluid phase are solved using standard k-', low Reynolds numberk-', and Reynolds stress model. The web motion as a viscoelastic solid is predicted using an accurate FSI technique. No reliable data can be found for the physical and mechanical properties of a web in the literature. In this light, different physical and mechanical properties are used in order to test the behaviour of the web experiencing a typical value of tension in practical applications. It is found likely that an accurate knowledge of physical and mechanical propertieswould be required in order to predict the aeroviscoelastic behaviour of the web. Limitations in the available computational resources urgedthat further exploration of the dynamics of a viscoelastic web requires a different routine along with the above-mentioned approach. To this end, as an alternative approach a simplified model was proposed which retains the essential features that characterize the fluid-web interactions in an industrial dryer. The simplified model was made possible to understand the effects of nonlinearities, turbulence, and the complex relation between stability and excited and self-excited response. An illustrative numerical example was presented to discuss conditions at which the stable motion of a web becomes unstable. It is found that exceedinga certain value of turbulent boundary layer pressure fluctuations the web response increases rapidly changing from random to flutter. The results suggest that the effect of the fluid turbulence should not be ignored at high Reynolds number conditions which highlight the importance of turbulence in web handling systems. Also the viscoelastic behaviour of the web must be taken into account to provide an accurate characterization of the web stability.