Vortex induced vibration in a single degree of freedom cylinder with structural nonlinearities

In this research project, it is proposed the investigation of the effects of hardening structural nonlinearity in a single degree of freedom cylinder exposed to a transverse flow, presenting the vortex induced vibration effect. To check the validity of the implemented phenomenological model, numerical simulations have been performed and the results have been compared with experiments. Simulations showed that the presence of this type of nonlinearity extends the lock-in region by changing the structural natural frequency as the amplitude of oscillations increases with the freestream speed and the vortex shedding frequency. Besides, other parameters, such as the mass and the diameter of the cylinder, affect the synchronization region. A wind tunnel test validated of the obtained simulated results. The contributions of this research can be helpful in order to prevent vortex induced vibrations in realistic nonlinear structures.

Resumo (português)

Neste projeto de pesquisa propõe-se a investigação dos efeitos do endurecimento da não linearidade estrutural em um cilindro de único grau de liberdade exposto a um fluxo transversal, apresentando o efeito de vibração induzido por vórtice. Para verificar a validade do modelo fenomenológico implementado, simulações numéricas foram realizadas e o os resultados foram comparados com experimentos. Simulações mostraram que a presença deste tipo de não linearidade se estende a região de lock-in, alterando a frequência natural estrutural à medida que a amplitude das oscilações aumenta com o velocidade de fluxo livre e frequência de desprendimento de vórtices. Além disso, outros parâmetros, como a massa e o diâmetro do o cilindro, afeta a região de sincronização. Um teste em túnel de vento validado a partir dos resultados simulados obtidos. O As contribuições desta pesquisa podem ser úteis para evitar vibrações induzidas por vórtices em sistemas não lineares realistas. estruturas.

Palavras-chave

Aeroelasticidade Cilindros Dinâmica estrutural

Idioma

Inglês

Citação

BASTOS, S. T. H. Vortex induced vibration in a single degree of freedom cylinder with structural nonlinearities. In: ABCM INTERNATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING, 25., 2019, Uberlândia. Anais [...]. [S. l.: s. n.], 2019.

URI

https://hdl.handle.net/11449/253571

Financiadores

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Coleções

São João da Boa Vista - FESJBV - Faculdade de Engenharia, São João da Boa Vista

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PublicaçãoTrabalho de conclusão de curso

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Modelo semi-empírico para representação de comportamentos complexos em vibrações induzidas por vórtice

(Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2021-04-23)

Bastos, Sérvio Túlio Suenai Haramura

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Vasconcellos, Rui Marcos Grombone de

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Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Vibrações induzidas pelo movimento de um fluído ao redor de estruturas são comuns e muitas vezes prejudiciais, tanto em termos financeiros, devido à necessidade de aplicação de materiais e estruturas mais resistentes, como também em termos ambientais, visto que falhas estruturais graves podem ocorrer mesmo em estruturas superdimensionadas. Particularmente, estruturas de formato cilíndrico são amplamente empregadas em engenharia, seja em trem de pouso em aeronaves, pilares de pontes, chaminés, linhas de transmissão ou especialmente na extração de petróleo em alto mar. Tubulações para extração de petróleo e gás em plataformas marítimas estão expostas a inúmeras condições de agitação da água do mar e principalmente, correntes marítimas intensas e contínuas. Tais tubulações, conhecidas no meio como risers, apresentam em certas condições de velocidade da corrente marítima, vibrações que podem atingir altas amplitudes, de maneira que danos graves podem ocorrer implicando em prejuízos materiais e principalmente ambientais, caso vazamento de petróleo ocorra. O entendimento do fenômeno aeroelástico que leva ao surgimento dessas vibrações têm sido alvo de grande interesse da comunidade científica nos últimos anos. Modelos matemáticos baseados em dinâmica dos fluidos computacional continuam sendo desafiadores, mesmo com o desenvolvimento computacional das últimas décadas. Modelos de ordem reduzida tornam se, portanto, importantes tanto para o entendimento quanto para o desenvolvimento de técnicas de controle dessas vibrações. Nesta pesquisa, propõe se a implementação de um modelo de ordem reduzida de um cilindro com um grau de liberdade, perpendicular à velocidade do escoamento, para os casos nos quais há uma baixa massa amortecimento para a descrição de comportamentos complexos do fenômeno das vibrações induzidas por vórtice (VIV). De tal forma que se possa descrever o upper e o lower branches de maneira mais efetiva, seja em termos de região de lock in ou em termos da amplitude de oscilação. Tal melhoria será realizada a partir da análise e identificação de possíveis funções para variação de alguns parâmetros como o número de Strouhal, o coeficiente de massa adicional e o coeficiente de arrasto. A validação de tal modelo foi realizada através de comparações com resultados experimentais na literatura de forma que se obteve boa conformidade entre ambos.

PublicaçãoArtigo

Acesso aberto

Vibrações induzidas por vórtice em um cilindro com um grau de liberdade e rigidez não linear

(2019-11-15)

Bastos, Sérvio Túlio Suenai Haramura

;

Vasconcellos, Rui Marcos Grombone de

;

Marques, Flávio Donizeti

;

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

In this research project, it is proposed an investigation of the effects of hardening structural nonlinearity in a single degree of freedom cylinder exposed to a transverse flow, presenting the vortex induced vibration effect. To check the validity of the implemented phenomenological model, numerical simulations has been performed and the results has been compared with experiments. Simulations showed that the presence of this type of nonlinearity extends the lock-in region by changing the structural natural frequency with the freestream speed and the vortex shedding frequency. A wind tunnel test validated the obtained simulated results. The contributions of this research can be helpful in order to prevent vortex induced vibrations in realistic nonlinear structures.