Investigação experimental da vibração induzida pelo escoamento em arranjos de colunas circulares submetidos a regime de baixo Reynolds

Abstract

As interações fluido-estrutura são fenômenos caracterizados pela ação do fluido em escoamento sobre as estruturas, os quais devem ser considerados já nas fases iniciais do projeto de sistemas de engenharia. Seu caráter oscilatório pode resultar em falhas por fadiga da estrutura. Alguns tipos de Vibração Induzida pelo Escoamento (VIE) são fenômenos desencadeados a partir da sincronização entre uma das frequências de oscilação do sistema, que pode ser um cilindro isolado, ou um arranjo deles, e a frequência de emissão de vórtices promovida pelo escoamento no seu entorno. A partir dessa sincronização, ocorre uma oscilação auto-excitada e autolimitada, com amplitude próxima à dimensão característica do sistema, a denominada Vibração Induzida por Vórtices (VIV). Neste contexto, este trabalho investiga experimentalmente os fundamentos do fenômeno de VIE, possivelmente VIV, com vistas à triagem de modelos em escala reduzida de flutuadores de plataformas para suporte de turbinas eólicas oceânicas, promovendo a seleção dos melhores casos para investigações aprofundadas em trabalhos futuros via fluidodinâmica computacional em números de Reynolds da escala real, além da possibilidades dos próprios resultados experimentais assim obtidos já servirem como parte da validação para os próprios modelos numéricos de simulação na mesma faixa de número de Reynolds. Os modelos físicos deste trabalho são arranjos de três ou quatro cilindros circulares equidistantes entre si, com razões S = 2D, 3D e 4D, onde D é o diâmetro do modelo, testados segundo aproamentos em 0, 45, 90 e 180 graus, a depender do arranjo. Os escoamentos incidentes são caracterizados por números de Reynolds baixos, <= Re <= 1196, equivalentes a cinco velocidades distintas em canal de água circulante. Deslocamentos nos dois graus de liberdade principais dos arranjos são registrados a partir de um sistema de aquisição e tratamento de imagens. Para a determinação das amplitudes e frequências adimensionais de VIE, aplicam-se análises estatísticas e de incerteza, bem como a Fast Fourier Transform (FFT), o que, então, permite comparações com resultados em números de Reynolds mais altos encontrados na literatura. Os arranjos de menor espaçamento demonstraram menor amplitude de oscilação em relação aos demais, além de que o aproamento não apresentou influência apreciável nos resultados em termos de amplitude e frequência para os cilindros de maior espaçamento.

Abstract: The fluid-structure interactions are phenomena characterized by the action of the flowing fluid on the structures, which must be considered in the initial phases of the design of engineering systems. Its oscillatory character can result in fatigue failures of the structure. Some types of Flow Induced Vibration (FIV) are phenomena triggered by the synchronization between one of the oscillation frequencies of the system, which can be an isolated cylinder, or an arrangement of them, and the frequency of emission of vortices promoted by the flow in its surroundings. From this synchronization, a self-excited and self-limited oscillation occurs, with amplitude close to the characteristic dimension of the system, the so-called Vortex-Induced Vibration (VIV). In this context, this work experimentally investigates the foundations of the FIV phenomenon, possibly VIV, with a view to screening reduced-scale models of platform floats to support oceanic wind turbines, promoting the selection of the best cases for further investigations in future work via computational fluid dynamics in real-scale Reynolds numbers, in addition to the possibility that the experimental results thus obtained already serve as part of the validation for the numerical simulation models themselves in the same Reynolds number range. The physical models in this work are arrangements of three or four circular cylinders equidistant from each other, with ratios S = 2D, 3D and 4D, where D is the diameter of the model, tested according to headings at 0, 45, 90 and 180 degrees, depending on of the arrangement. The incident flows are characterized by low Reynolds numbers, 524 <= Re <= 1196, equivalent to five distinct velocities in a circulating water channel. Displacements in the two main degrees of freedom of the arrays are recorded from an image acquisition and treatment system. For the determination of the dimensionless amplitudes and frequencies of VIE, statistical and uncertainty analyzes are applied, as well as the Fast Fourier Transform (FFT), which then allows comparisons with results in higher Reynolds numbers found in literature. The arrangements with smaller spacing showed a smaller amplitude of oscillation in relation to the others, in addition to the fact that the heading had no appreciable influence on the results in terms of amplitude and frequency for the cylinders with greater spacing.