Gonçalves, Rodolfo Trentin; Rosetti, Guilherme Feitosa; Franzini, Guilherme Rosa; Meneghini, Julio Romano; Fujarra, André Luís Condino
#Vortex-induced vibration#Very low aspect ratio#Two degrees of freedom#Circular cylinders#VÓRTICES DOS FLUÍDOS#VIBRAÇÃO INDUZIDA POR VÓRTICES#DINÂMICA DOS FLUIDOS
The investigation of vortex-induced vibration on very short cylinders with two degrees of freedom has drawn the attention of a large number of researchers. Some investigations on such a problem are carried out in order to have a better understanding of the physics involved in vortex-induced motions of floating bodies such as offshore platforms. In this paper, experiments were carried out in a recirculating water channel over the range of Reynolds number 6000<70 000. Measured response amplitudes and frequencies of cylinders with two degrees of freedom, three different small mass ratios (m⁎=1.00; 2.62 and 4.36) and very low aspect ratios (0.3≤L/D≤2.0) were shown and the results were discussed in depth. Conversely to what would be expected for cylinders with very low aspect ratio, the results showed large motions in the transverse direction with maximum amplitudes around 1.5 diameters for cylinders with L/D=2.0, despite being smaller when the aspect ratio is reduced. Moreover, the response amplitudes presented high values around 0.4 diameters in the in-line direction. In fact, the large transverse motions were related to a strong coupling with the in-line responses, visibly identified in the plots of nondimensional frequency...
Estudo analítico-numérico das vibrações induzidas por vórtices em trecho vertical de riser rígido, sujeito à variação de tração, e sua influência na fadiga.; Analytic-Numerical study of Vortex-Induced Vibrations in a vertical rigid riser, subjected to tension fluctuation and its influence in fatigue.
#Fadiga#Fatigue#Riser rígido vertical#Tension fluctuation#Variação de tração#Vertical rigid riser#Vibração Induzida pela emissão de Vórtices VIV#Vortex-Induced Vibrations - VIV
A produção de petróleo em ambiente marítimo é feita através de plataformas, em geral flutuantes, conectadas aos reservatórios através de dutos, os chamados risers, responsáveis pelo transporte de petróleo bruto, gás ou água. Do ponto de vista estrutural, estes risers podem ser rígidos ou flexíveis, porém, independente do tipo empregado, com o aumento da profundidade, aumentam-se os esforços de tração sobre essas estruturas. Em águas profundas, essa desvantagem pode ser diminuída com a utilização de configurações mais complexas, dentre as quais se destaca a riser tower, que é foco do presente estudo. Este sistema é composto por vários dutos unidos ao longo de um tubo vertical único, sustentado por uma bóia de subsuperfície. Um grande atrativo desta configuração é a redução da fadiga devido às ondas, uma vez que a bóia e parte significativa dos risers rígidos verticais não sofrem efeitos relevantes das ondas de superfície. No entanto, dois problemas de interação fluido-estrutural persistem: um associado ao fenômeno de VIV Vibração Induzida pela Emissão de Vórtices no riser vertical e outro relativo ao VIM - Movimento Induzido pela Emissão de Vórtices na bóia. Devido ao fato da correnteza ser quase permanente...
Vibração induzida por vórtices em cilindros com alta razão de aspecto: simulações numéricas e comparações com resultados experimentais.; Vortex induced vibration of circular cylinders with high aspect ratios: numerical simulation and comparison with experimental results.
#Discrete vortex method#Método dos vórtices discretos#Risers#Risers#Vibração induzida por vórtice#Vortex induced vibration
O presente trabalho tem como objetivo investigar o fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV) em cilindros com razão de aspecto elevada. Para alcançar tal objetivo, utilizou-se o código computacional denominado ANFLEX-CFD devidamente validado através de comparações com resultados experimentais. O foco do estudo é voltado para a análise do fenômeno de VIV, causado pelo desprendimento de vórtices ao redor de cilindros, e seu efeito no comportamento estrutural desses corpos rombudos. O programa computacional utiliza o Método dos Vórtices Discretos (Discrete Vortex Method - DVM) para o cálculo das forças hidrodinâmicas, acoplado ao modelo estrutural do ANFLEX que utiliza o método dos elementos finitos para resolver a estrutura e determinar seus deslocamentos. Os ensaios que serviram para comparação dos resultados foram os realizados no tanque da IFREMER, na França. Os resultados numéricos apresentaram uma boa concordância com o experimento para as maiores velocidades de corrente, o que pode ser justificado pela menor influência da tração perante o arrasto. A partir dos resultados pode-se afirmar que o ANFLEX-CFD é uma ferramenta útil na predição do fenômeno de VIV e pode se tornar uma ferramenta fundamental na determinação da vida útil à fadiga de elementos estruturais como os risers da indústria petrolífera offshore.; This thesis aims to instigate vortex-induced vibration on circular cylinders with high aspect ratio. In order to do so...
Estudo de VIM - Movimentos Induzidos por Vórtices em plataformas do tipo monocoluna: abordagem numérico-experimental e impactos no sistema de amarração.; VIM study - Vortex Induced Motions in monocolumn type platforms: numeric-experimental approach and impact on mooring system.
#Amarração#Análise de extremos e de vida útil#Ancoragem#Ensaios#Extreme analysis#Fadiga#Fatigue#Model testing#Monocolumn#Monocoluna#Mooring system
A vibração induzida por vórtices - VIV é um assunto muito estudado na engenharia oceânica, tendo seu nome adaptado para VIM por ocasião de observação semelhante em plataformas do tipo Spar no Golfo do México. Com o início da utilização de plataformas monocolunas, especificamente com a instalação da Sevan Piranema no Nordeste Brasileiro, em 2007, questionou-se sobre a ocorrência deste fenômeno nestas unidades de seção cilíndricas, aplicando cargas não previstas aos sistemas de ancoragem, e eventualmente tornando estes subdimensionados. Em um primeiro momento, foi realizado estudo detalhado sobre os trabalhos já realizados na área, e tendo sido encontrado material insuficiente sobre o VIM em plataformas monocolunas, buscou-se a sua caracterização em termos de amplitudes e períodos de oscilação a partir de ensaios em tanques de prova, estratégia justificada pela dificuldade em se obter tais resultados de forma confiável via uma abordagem analítica e/ou numérica. Posteriormente, com o objetivo de se verificar o impacto do VIM nas cargas extremas, e principalmente na fadiga do sistema de ancoragem, foram realizadas análises com dois métodos distintos encontrados na literatura. Em linhas gerais, o primeiro método é descrito como aquele que considera a aplicação do VIM via movimentos equivalentes aos identificados experimentalmente e o segundo...
Estudo numérico da vibração induzida por vórtices em um corpo cilíndrico.; Numerical study of the vortex induced vibration in a cylinder body.
#CFD#Computational fluid dynamics#Cylinder#Escoamento#LES#Mecânica dos fluidos computacional#Vibrações#Vibration#Vortex#Vórtices dos fluidos
Este trabalho tem por objetivo estudar através de simulações numéricas a interação fluido-estrutura de um escoamento ao redor de um cilindro livre para vibrar na direção transversal do escoamento, com o objetivo de compreender melhor o fenômeno muito recorrente em estruturas oceânicas, principalmente os dutos de extração de petróleo, chamados risers. A condição a ser estudada é a de escoamento com número de Reynolds igual a 10000, em um cilindro com parâmetro de massa igual a 3,3 e de amortecimento igual a 0,0026. Nestas condições, diversos modelos serão criados para representar toda a faixa de velocidades reduzidas em que ocorre o fenômeno de sincronização. Estes parâmetros foram escolhidos devido à presença de dados experimentais para o comparativo entre as simulações e os dados experimentais, que será apresentado ao final do trabalho. Resultados como a média do coeficiente de arrasto e o RMS do coeficiente de sustentação também serão comparados com dados experimentais disponíveis na literatura e uma análise dos perfis de escoamento na região da esteira é feita para a identificação de padrões recorrentes nestes tipos de caso.; The objective of this work is to study through numerical simulations the fluid-structure interaction in a cylinder...
Vibrações induzidas pela emissão de vórtices em cilindros com baixa razão de aspecto.; Vortex-induced vibrations of cylinders with very low aspect ratio.
#Baixa razão de aspecto#Cilindros fixos e livres#Efeitos de extremidade livre#Experimentos em água#Experiments in water#Fixed and free to oscillate cylinders#Free-end effects#Low aspect ratio#Vibração induzida pela emissão de vórtices#Vortex-induced vibration
O aumento das ocorrências de VIM em plataformas flutuantes do tipo "spar" e monocoluna serviu de motivação para a investigação dos fundamentos do fenômeno de VIV em cilindros com baixa razão de aspecto e pequena razão de massa. Tal investigação também foi motivada pela necessidade de se preencher lacunas de conhecimento a respeito deste assunto, articularmente por conta da escassa disponibilidade de resultados acerca do VIV em cilindros curtos, bem como pela ausência de modelo fluido que justifique os comportamentos dinâmicos conhecidos. Para o entendimento pretendido, três grupos de experimentos com cilindros dotados de razão de aspecto na faixa 0,1 <= L/D <= 2,0 foram realizados em um canal de água circulante na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, sendo: o primeiro grupo focado nos cilindros curtos estacionários; o segundo nos cilindros curtos de baixa razão de massa, 1,00 <= m* <= 4,36, e dois graus de liberdade; e o grupo final interessado no VIV em cilindros flutuantes, ou seja, razão de massa unitária e seis graus de liberdade. De uma maneira geral, a partir dos resultados aqui obtidos e das comparações com os resultados respectivamente encontrados na literatura, conclui-se que o VIV em cilindros curtos somente acontece se L/D > 0...
Uma comparação de métodos para avaliar a resposta dinâmica de edifícios altos em túnel de vento; A comparison of methods for assessing the dynamic response of tall building in wind tunnel
#Edificios altos#Wind#Tall buildings#Túnel de vento#Vento : Estruturas#Dynamic response#Wind tunnel#Aeroelastic modeling
Atualmente, o cenário econômico mundial compreende a exploração cada vez mais intensa dos espaços urbanos, através de edificações que buscam maximizar a relação entre área construída e área disponível. Estas edificações, mais flexíveis e mais altas, dependem de avanços no uso de sistemas estruturais inovadores e materiais de elevada resistência com massa reduzida. Como consequência, a sensibilidade à ação dinâmica do vento aumentou. Estruturas esbeltas e flexíveis possuem frequências naturais de vibração livre mais baixas, o que as faz mais suscetíveis a vibrações induzidas pela turbulência atmosférica e pelo desprendimento de vórtices alternados. Essas vibrações têm o potencial de reduzir a segurança estrutural e causar desconforto aos usuários da edificação. A previsão da resposta induzida pela ação dinâmica do vento por métodos analíticos é complexa e de difícil resolução, principalmente para os efeitos transversais no sentido da velocidade média do vento. Em contrapartida, o uso de técnicas experimentais, através de ensaios em túnel de vento com modelos reduzidos, tem se mostrado bastante eficiente em termos de previsão de resultados. Neste contexto, este trabalho apresenta uma investigação numérica e experimental das parcelas estática e flutuante...
#Simulação numérica#Escoamento de fluidos#Cilindros#Vortices
O estudo do escoamento ao redor de corpos submersos tem sido foco atual de muitas pesquisas. Em especial, escoamentos ao redor de obstáculos rombudos constituem sistemas de grande interesse prático em vários campos da engenharia e outras ciências como, por exemplo, na engenharia automobilística, na concepção de edificações submetidas à ação do vento, no estudo de correntes fluviais e marítimas sobre pilares de pontes, em risers, cabos de ancoragem e plataformas de captação de petróleo. O presente trabalho teve como objetivo principal o estudo por Simulação Numérica Direta do escoamento ao redor de um cilindro com dois graus de liberdade, submetido a Vibração Induzida por Vórtices (VIV), buscando o esclarecimento a cerca dos fenômenos tridimensionais de formação e evolução do escoamento em função da interação fluido-cilindro. As equações de Navier-Stokes e da continuidade são resolvidas numericamente usando esquemas de diferenças finitas compacto de sexta ordem na discretização espacial, em associação com um método de representação das fronteiras do cilindro, denominado Método de Fronteiras Imersas. Inicialmente foram realizadas simulações para os casos de cilindro fixo e em movimento forçado...
#Wind engineering#Engenharia civil#Vortex-induced vibrations#Aerodynamic bridge devices#Wind tunnel
A ação do vento é um aspecto predominante no projeto aerodinâmico que determina as características da seção transversal de um tabuleiro de ponte. Dessa forma, a aplicação da teoria aerodinâmica, em estruturas de pontes conhecidas, deve se voltar para a supressão de fenômenos autoexcitados, como as vibrações transversais induzidas por desprendimento de vórtices, afim de impedir sua instabilidade. A vibração induzida por vórtice é uma resposta aerodinâmica que pode ocorrer para estruturas flexíveis sujeitas a ventos transversais, como os tabuleiros de pontes de longos vão e proporções esbeltas. A interação entre fluido e estrutura, através da separação do escoamento do ar, provoca desprendimento de vórtices alternadamente em cada face do tabuleiro da ponte, que por sua vez pode ocasionar um movimento oscilatório do tabuleiro da ponte quase sempre associado à ruína por fadiga dos materiais constituintes ou, por exemplo, de cabos de estaiamento a ele conectados. Foram estudadas modificações geométricas em uma seção transversal de um tabuleiro de ponte ensaiado no Túnel de Vento prof. Joaquim Blessmann, na Universidade Federal do Rio Grande do Sul, através da implementação de dispositivos aerodinâmicos de controle passivo de vibrações como forma de verificar uma redução nas amplitudes de vibração provocadas pelo desprendimento de vórtices. De maneira a investigar experimentalmente a influência de dispositivos aerodinâmicos de controle passivos para prevenir vibrações em seções transversais...
Comportamento dinamico de riser rigido em catenaria devido a vibração induzida por vortices em aguas profundas; Dynamic behavior of steel catenary riser due to vortex induced vibration in dreepwater
#Estruturas maritimas - Hidrodinamica#Engenharia de petroleo#Vibração (Engenharia naval)#Vortices#Offshore structures#Petroleum engineering#Vibration (Marine engineering)#Vortex
O presente trabalho tem como objetivo principal caracterizar o comportamento dinâmico de risers em configuração catenária (SCR) sob os efeitos do fenômeno da vibração induzida por vórtices (VIV). Estes estudos foram realizados através de experimentos e simulações numéricas. O experimento foi realizado com modelo de SCR em escala reduzida em um tanque de provas sob várias condições simuladas do ambiente, variando a velocidade do carro dinamométrico, a amplitude dos movimentos impostos no topo do modelo, amplitudes e períodos de ondas. As simulações numéricas foram realizadas usando um modelo de VIV criado para a avaliação de risers rígidos verticais. Modificações para o modelo foram implementadas de forma a considerar a inclinação do riser em relação ao escoamento e os movimentos apresentados pela SCR. Os resultados experimentais e numéricos apresentaram algumas características de comportamento semelhantes aos dos risers utilizados para grandes lâminas da água, verificados por outros pesquisadores, tais como: os altos harmônicos da freqüência de desprendimento de vórtices e o comportamento misto de standing e travelling waves. Uma boa concordância foi observada comparação entre os resultados experimentais e numéricos; The primary objective of this work is to characterize the dynamic behavior of steel catenary risers (SCR) under the effects of the Vortex-Induced Vibration (VIV) phenomenon. This study was conducted applying both experimental and numerical approaches. A SCR model test was performed in a towing tank under several simulated environment condition combinations such as; varying the towing speed...
Um estudo comparativo de dutos em vãos livres através de simulações numéricas; A comparative study of a free span pipeline through numerical simulations
Marcus Vinícius Franchi dos Santos
#Oleodutos submarinos#Vórtices#Estruturas marítimas - Hidrodinâmica#Engenharia de petróleo#Petroleum pipelines#Vortex#Offshore structures#Petroleum enginnering
Vibrações Induzidas por Vórtices em dutos com vãos livres sujeitos a corrente marítima é um problema presente na indústria offshore. Embora significativos esforços tenham sido feitos para entender este complicado problema de interação fluido estrutura, a modelagem numérica para cálculo é ainda um grande desafio. O presente trabalho tem como objetivo principal caracterizar o comportamento dinâmico dos dutos em vãos livres sob os efeitos do fenômeno da vibração induzida por vórtices (VIV). A disponibilidade de diversos programas de cálculo de VIV para estruturas offshore esbeltas facilita a avaliação da vida útil dessas estruturas e reduz o custo de projetos. No entanto, um bom domínio das metodologias adotadas por programas utilizados na indústria e a consciência das limitações correspondentes a diferentes técnicas são fundamentais para que o analista faça uso adequado dessas ferramentas computacionais. Neste sentido, este trabalho faz uma revisão dos diferentes modelos para estimar as forças de VIV devidas à corrente marinha. Para isto, diferentes programas de computador foram utilizados para calcular as vibrações na direção transversal de incidência de corrente, provocadas pelo desprendimento de vórtices em um duto com vão livre. As simulações do comportamento dinâmico da parcela em vão livre do duto foram realizadas utilizando três abordagens...
Estudo numérico do fenómeno de vibração induzida por vórtices num cilindro com 1 grau de liberdade em OpenFoam
Lopes, Ricardo Miguel Valente
#Cilindro circular oscilatório#Vibração induzida por vórtices#Navier-Stokes#OpenFoam#pimpleDyMFoam#Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Mecânica
Esta dissertação tem o intuito de validar o código numérico OpenFoam para problemas de fenómeno de vibração induzida por desprendimento de vórtices num cilindro circular com um grau de liberdade transversal ao escoamento. Na primeira parte é simulado o escoamento em torno de um cilindro circular fixo, e na segunda parte o escoamento em torno do cilindro oscilatório. O número de Reynolds é 200 para todas as simulações e o movimento do cilindro é descrito segundo um sistema massa-mola e massa-mola-amortecedor. Para o movimento do cilindro utilizou-se o solver sixDoFRigidDisplacement e para a resolução de problemas de malha móvel o solver displacementLaplacian. O código numérico utilizado para o caso do cilindro fixo foi pimpleFoam e para o caso do cilindro oscilatório o pimpleDyMFoam. As simulações foram feitas através da resolução das equações de Navier-Stokes num domínio computacional bidimensional. Na simulação do escoamento em redor do cilindro fixo, os coeficientes de arrasto e sustentação e o número de Strouhal foram calculados e comparados com resultados da literatura. Os resultados estão próximos da realidade, no entanto observa-se que a dimensão da malha é muito importante para a precisão dos mesmos. Na simulação do escoamento em torno do cilindro oscilatório foram calculados os coeficientes de arrasto e sustentação e deslocamento do cilindro...
Aperfeiçoamento de um modelo analítico para a predição da fadiga devido ao fenômeno de vibração induzida por vórtices em linhas oceânicas
Hannes, Nicole Hepp
#vibração induzida por vórtices#modelo fenomenológico#fadiga#projeto de risers
TCC (graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Joinville. Engenharia Naval.; Com a expansão da indústria de exploração de óleo e gás offshore surgiu a necessidade de equipamentos que possibilitassem o processo de extração em meios mais extremos. Esse processo acarretou tecnologias que garantissem a funcionalidade de todos os sistemas envolvidos, entre eles os risers. O risco associado a ocorrência de falhas e o custo para implementação e manutenção desses sistemas torna imprescindível o estudo dos mecanismos de falha. No ramo de estruturas oceânicas, grande atenção é dedicada ao estudo de vibrações induzidas por vórtice (VIV), fenômeno de interesse do presente trabalho. Devido a sua alta complexidade, esse fenômeno ainda não é bem compreendido e descrito fisicamente; motivo pelo qual, meios de análise analíticos, numéricos e experimentais, ainda pecarem em relação a predição do mesmo. Levando em consideração a praticidade dos métodos analíticos, quando comparados aos outros modos, este trabalho visou aperfeiçoar um modelo analítico já existente, incorporando a simulação da amplitude de resposta através de uma equação de van der Pol e considerando a massa adicional variável. O modelo...