Análise da interferência entre cilindros rígidos alinhados sujeitos a vibrações induzidas pelo escoamento

Abstract

Com o desenvolvimento da indústria offshore de óleo e gás e a implementação de risers em suas operações, um melhor entendimento do fenômeno de vibração induzida pelo escoamento, ou Flow-Induced Vibration (FIV), envolvendo estruturas compostas por múltiplos cilindros se faz necessário, já que sistemas flutuantes em águas profundas podem conter um elevado número de risers de produção e sistemas de amarração em uma única plataforma. Neste contexto, experimentos foram conduzidos no Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) com dois cilindros rígidos semelhantes em tandem, ou seja, alinhados entre si e em relação ao escoamento. Ambos os cilindros foram montados em um suporte elástico permitindo a vibração em dois graus de liberdade, na direção transversal e longitudinal ao escoamento. Diferentes espaçamentos entre cilindros foram testados (2D; 2,5D; 3D; 4D; 6D; onde D corresponde ao diâmetro do cilindro). De maneira a permitir a excitação de toda a faixa de sincronização na direção transversal ao escoamento, as velocidades reduzidas empregadas variaram entre 3 a 13, o que é proporcional a números de Reynolds aproximadamente entre 3.〖10〗^3<Re<3.〖10〗^4. Os resultados mostrados no presente trabalho encontraram uma resposta qualitativamente similar entre o cilindro a montante e o cilindro isolado. O cilindro a jusante exibiu grandes amplitudes de resposta comparado ao cilindro a montante no ramo inferior de vibração. Por fim, a diferença de fase entre as oscilações transversais dos cilindros foi classificada de acordo com cinco padrões de fase, sendo que, os padrões de fase I e II mostraram respectivamente ter relação com os ramos inicial e superior de vibração para todos os casos.

With the development of offshore oil field and deployment of riser pipes, a better understanding of the Flow-Induced Vibration (FIV) phenomenon involving multiples cylindrical structures it is necessary since actual deep-water floating systems can contain several numbers of production risers and many more mooring lines in a single platform. In this context, experiments were conducted at the Technological Research Institute (IPT) for two similar rigid cylinders in a tandem arrangement that means in-line between them and with the flow. Both cylinders were elastic mounted allowing two degrees of freedom, on the flow and cross-flow direction. Different spacing between cylinders was tested (2D; 2,5D; 3D; 4D; 6D; i.e. D corresponding to the cylinder diameter). In order to allow the excitation throughout the complete lock-in range in the crossflow direction, the reduced speeds ranged from 3 to 13, which correspond to Reynolds numbers approximately between 3.〖10〗^3<Re<3.〖10〗^4. The results shown in the present research found the upstream cylinder having a qualitatively similar response compared with the isolated cylinder. The downstream cylinder exhibited large response amplitudes compared to the upstream one in the lower branch of vibration. Lastly, the phase difference between transverse displacements of both cylinders was classified according to five phase patterns. The phase patterns I and II were shown respectively related to the initial and superior branches of vibration in all cases.