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

Abstract

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.

Induced-vibration provided by the interaction between the fluid and the structure are so common and harmful, both for financial terms, because of the application of material and strength structures, and environmental ones, by the possibility of serious structural failure even in oversized structures. Particularly, cylinder shaped structures are widely employed in engineering, for example, landing gear in aircrafts, bridge pillars, chimneys, transmission lines and oil extraction pipelines. The oil extraction pipelines and maritime gas platforms are exposed to diverse turbulence conditions, especially caused by intense and continuous sea currents. These pipes, known as risers, can present vibrations with high amplitudes depending on the maritime current speed conditions. This can imply in serious damages, material losses and the occurrence of leak of oil. Therefore, the understanding of this aeroelastic phenomenon and the emergence of those vibrations have been investigated by the scientific community in the last years. The CFD models are challenged, even the computation development in the last decades. Thus, reduced order models are so important for both the understanding and developing vibration controls techniques. The present research search the implementation of a reduced order model to a cylinder with a single degree of freedom, perpendicular of the stream flow velocity, to the cases of low mass-damping presenting vortex-induced vibration (VIV) presenting complex behaviors. The main aim is describing the upper and lower branches with effective matter, either in terms of lock-in region or amplitudes of oscillation. This improvement is done by the analyses and identification of possible functions, varying some parameters such as Strouhal number, additional mass coefficient and the drag coefficient. The results showed a good agreement with experimental results presenting at the literature.