Experimentos de movimento induzido pelo escoamento em arranjos de cilindros com seção transversal quadrada a regimes de baixos números de Reynolds

Abstract

As plataformas semissubmersíveis (SSP) de petróleo e gás (O&G) e turbinas eólicas offshore flutuantes (FOWT) do tipo semissubmersíveis (SS) são suportadas por arranjos de colunas, o que torna comum a presença de interações fluido-estruturais entre as mesmas e os agentes ambientais onde operam. Fenômenos de interação fluido-estrutural podem gerar movimentos indesejados, vibratórios ou oscilatórios, eventualmente de grandes amplitudes, em função da ação de ondas, correntes marítimas e ventos, os quais podem levar tais sistema à fadiga precoce. O fenômeno de Movimento Induzido pelo Escoamento (FIM), é complexo que ocorre devido à interação entre o escoamento de um fluido e estruturas flexíveis ou elasticamente suportadas. Esse fenômeno pode ter consequências para os sistemas de engenharia afetados, e, por isso, deve ser considerado desde as fases iniciais do projeto. O FIM pode provocar oscilações com amplitudes próximas à dimensão característica do cilindro. Não há uma profusão de literatura sobre FIM em arranjos de cilindros de seção quadrada, especialmente em baixos números de Reynolds. Neste estudo, são realizados experimentos com modelos reduzidos de arranjos de três e quatro cilindros de seção transversal quadrada, com dois graus de liberdade (2GDL), em três distâncias diferentes. Todos os arranjos têm a mesma razão de aspecto, T/L = 2, onde T é o calado e L a largura da face externa do cilindro, e a mesma massa reduzida, m^*? 1,83. As três distâncias entre os centros dos cilindros, S, são função de L, compondo razões inteiras S/L = 2, 3 e 4. Além disso, para cada distância S, são considerados diferentes ângulos de ataque com o escoamento, 0, 90 e 180 graus para arranjos com três cilindros, e 0 e 45 graus para arranjos com quatro cilindros. Os modelos foram testados em sete velocidades diferentes, resultando em velocidades reduzidas na faixa de 4,69 a 11,87, o que corresponde a números de Reynolds no intervalo de 597,50 e 1317,50. O exame dos resultados é conduzido avaliando a média das 10% maiores amplitudes de resposta adimensional nas direções do escoamento transversal e longitudinal, A_y^(10%)/D e A_x^(10%)/D, respectivamente, juntamente com as frequências nessas direções, onde D é a dimensão característica do cilindro de acordo com a entrada do ângulo de ataque. Configurações com menor espaçamento, S/L = 2 exibiram amplitudes menores em comparação com outras, independente da configuração. A maior amplitude adimensional registrada foi na direção perpendicular ao escoamento, medindo 0,78, para um arranjo de quatro cilindros, com S/L de 4 e um ângulo de ataque de 45 graus.

Abstract: Semi-submersible platforms (SSP) for oil and gas (O&G) and floating offshore wind turbines (FOWT) of the semi-submersible (SS) type are supported by column arrangements, which makes the presence of fluid-structural interactions between them common and the agents environments where they operate. Fluid-structural interaction phenomena can generate unwanted, vibratory or oscillatory movements, possibly of large amplitudes, due to the action of waves, sea currents and winds, which can lead such systems to early fatigue. The phenomenon of Flow-Induced Motion (FIM) is a complex phenomenon that occurs due to the interaction between the fluid flow and a flexible or elastically supported structures. This phenomenon can have consequences for the affected engineering systems and, therefore, must be considered from the initial phases of the project. The FIM can cause oscillations with amplitudes close to the characteristic dimension of the cylinder. There is not a wealth of literature on FIM in square-section cylinder arrangements, especially at low Reynolds numbers. In this study, experiments are carried out with reduced models of arrangements of three and four cylinders with a square cross section, with two degrees of freedom (2GDL), at three different distances. All arrangements have the same aspect ratio, T/L = 2, where T is the draft and L the width of the external face of the cylinder, and the same reduced mass, m^*? 1,83. The three distances between the centers of the cylinders, S, are a function of T, composing integer ratios S/L = 2, 3 and 4. Furthermore, for each distance S, different angles of attack with the fluid flow are considered, 0, 90 and 180 degrees for arrangements with three cylinders, and e 0 and 45 degrees for arrangements with four cylinders. The models were tested at seven different speeds, resulting in reduced speeds in the range of 4.69 to 11.87, which correspond to Reynolds numbers in the range of 597.50 to 1317.50. Examination of the results is conducted by evaluating the average of the 10% largest dimensionless response amplitudes in the transverse and longitudinal flow directions, A_y^(10%)/D and A_x^(10%)/D, respectively, along with the frequencies in these directions, where D is the characteristic dimension of the cylinder due to the input angle of attack. Configurations with smaller spacing, S/L = 2 exhibited smaller amplitudes compared to others, regardless of configuration. The largest dimensionless amplitude recorded was in the direction transversal to the fluid flow, measuring 0.78, for a four-cylinder arrangement, with S/L of 4 and an angle of attack of 45 degrees.