Experiments on vortex-induced vibrations of a long horizontal cylinder under uniform current profiles

Abstract

A Vibração Induzida por Vórtices (VIV) é um fenômeno de interação fluido-estrutura que é extremamente importante para a indústria do petróleo. Os risers são frequentemente excitados por este fenômeno resultando em oscilações que reduzem a vida útil dos equipamentos. A complexidade deste fenômeno hidro-elástico não-linear ainda não é completamente entendida pela comunidade científica e investigações em modelos flexíveis dão suporte para a descoberta de peculiaridades do VIV. Este trabalho apresenta resultados experimentais de um cilindro flexível longo e horizontal. A resposta dinâmica do modelo é apresentada, relacionada com a amplitude, a frequência, o ângulo de fase e as trajetórias dos movimentos. O cilindro é considerado longo, com razão de aspecto igual a 148, e razão de massa igual a 3,9. Os experimentos foram conduzidos em um tanque de reboque e o cilindro flexível foi excitado por perfis uniformes de escoamento. Vinte velocidades reduzidas foram testadas, em uma faixa de 1,75 < V r < 15,79, correspondendo a números de Reynolds de 1.000 até 10.000. As medições foram realizadas utilizando um sistema de rastreamento óptico subaquático, onde movimentos nas três direções foram monitorados a partir de 18 alvos distribuídos ao longo de aproximadamente metade do comprimento do modelo. Amplitudes transversais r.m.s de até 0,77 diâmetros e longitudinais de até 0,23 diâmetros foram observadas, e a dinâmica do modelo mostrou comportamento multimodal. A faixa de sincronização transversal influenciou muito os modos longitudinais excitados. Os resultados alcançados se mostram extremamente relevantes para futuras validações de modelos analíticos e códigos numéricos.

Abstract: The Vortex-induced Vibrations (VIV) is a phenomenon resulting from the fluid-structure interaction which is extremely important in the oil industry. The risers are frequently excited by this phenomenon resulting in oscillations which reduce the equipment lifetime. The complexity of this non-linear and hydro-elastic phenomenon is still not completely understood by the scientific community and investigations on flexible models support the peculiarities unveil of the VIV. This work presents experimental results of a horizontal long flexible cylinder. The model dynamic response is presented, connected to the amplitude, the frequency, the phase angle, and the trajectories of the movements. The cylinder is considered long, with aspect ratio equal to 148, and mass ratio equal to 3.9. The experiment was carried out in a towing tank, and the flexible cylinder was excited by uniform flow profiles. Twenty reduced velocities were tested, in a range of 1.75 < V r < 15.79, corresponding to Reynolds numbers from 1,000 up to 10, 000. The measurements were performed using a submerged optical motion capture system, where displacements in the three directions were monitored from 18 targets distributed along half of the model?s length. Cross-flow r.m.s amplitude responses up to 0.77 diameters and in-line up to 0.23 diameters were observed, and the model dynamics showed a multi-modal response behavior. The cross-flow lock-in highly influenced the in-line excitation modes. The results achieved showed to be extremely relevant for further validation of analytical models and numerical codes.