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Abstract:
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Os fenômenos de interação fluido-estrutura, que estão presentes em estruturas oceânicas, como plataformas, agrupamentos de risers e turbinas eólicas offshore flutuantes, podem gerar movimentos indesejados, vibratórios e de grandes amplitudes em função da ação de ondas, correntes e ventos, podendo levá-las à fadiga. Neste contexto, e ao contrário de muitas situações usuais, as Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV), se usadas de forma controlável, também podem trazer benefícios para engenharia, servindo como fonte de energia alternativa a partir da extração de energia provocada pelas oscilações do corpo. Com o objetivo de investigar um caso corriqueiro de engenharia oceânica, porém ainda complexo, esta pesquisa visa abordar o fenômeno de VIV, por meio da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), aplicado a uma seção circular isolada e também a duas seções circulares idênticas alinhadas na configuração denominada tandem. As investigações numéricas foram realizadas pelo programa OpenFOAM considerando um escoamento laminar bidimensional a Re=100. Em um primeiro momento, foi avaliado o escoamento ao redor de seções circulares fixas e, posteriormente, foi considerado seu movimento com dois graus de liberdade (2GDL), variando sistematicamente a razão de massa (m*). Para os casos com duas seções circulares em tandem, foi avaliado o efeito da distância relativa entre as mesmas (T/D) considerando que estas se encontram fixas e, em seguida, com 2GDL. Também foi avaliado o efeito da velocidade reduzida somente para T/D=5,5. Foram extraídos resultados referentes ao coeficiente de arrasto médio, valor quadrático médio do coeficiente de sustentação, número de Strouhal, amplitudes de oscilação alinhada e transversal e frequências envolvidas nos movimentos. O procedimento matemático de Verificação e Validação (V&V) foi aplicado para todos os casos fixos a partir de diferentes refinos espaciais e temporais, sendo encontradas incertezas numéricas relativamente baixas dos coeficientes analisados. A seção circular fixa apresentou resultados coerentes com a literatura e os resultados foram validados. Com 2GDL para a seção circular isolada, percebeu-se que o sistema se encontra em ressonância e que o coeficiente de arrasto médio apresentou um aumento drástico em relação ao caso engastado para todas as razões de massa estudadas. Além disso, viu-se que os vórtices desprendidos possuem maior magnitude para razões de massa menores, fazendo com que os coeficientes de força e de amplitudes apresentem maiores valores conforme a redução de m*. Para duas seções circulares fixas, os valores ficaram próximos da literatura. A partir do aumento de T/D, os valores de todos os coeficientes apresentaram um aumento drástico em T/D=4, sendo esta distância de 4D denominada de distância crítica Lc. Ao analisar o campo de vorticidade, notou-se uma diferença de comportamento dos vórtices a partir de T/D=4, e que isso está relacionado com a mudança abrupta dos valores dos coeficientes. Para T<Lc, os valores do coeficiente de arrasto médio da seção à jusante se mostraram negativos, indicando a presença de uma força de sucção, contrária ao escoamento. Com 2GDL, viu-se que a seção à montante se comportou de maneira qualitativamente similar ao cilindro isolado. Foi visto que a seção circular à jusante influenciou no comportamento da seção circular à montante significativamente somente para T/D=2. Além disso, o cilindro à jusante de velocidade reduzida igual a 7 apresentou amplitudes transversais muito elevadas para T/D>2, sendo visto que o fenômeno de Vibrações Induzidas pela Esteira (VIE) se mostrou presente. |
