Análise experimental do efeito da rugosidade superficial em cilindros de seção circular sujeitos à vibração induzida por vórtices

Abstract

A vibração induzida por vórtices (VIV) é um fenômeno relevante em sistemas navais e offshore, especialmente em estruturas cilíndricas como risers e umbilicais, amplamente utilizadas em plataformas de petróleo e energia eólica. A rugosidade superficial dessas estruturas afeta significativamente a dinâmica do VIV, influenciando a formação de vórtices e as respostas estruturais. Este estudo investigou experimentalmente o impacto de diferentes níveis de rugosidade em cilindros rígidos de seção circular, com razões de massa e parâmetros geométricos específicos (L/D=13 e S/D=4), montados em dois suportes elásticos com dois graus de liberdade. As condições de rugosidade foram obtidas por meio da aplicação de diferentes gramaturas de areia , além de uma superfície lisa como referência. Os ensaios foram realizados no canal de água circulante do Laboratório de Interação Fluido-Estrutura da Universidade Federal de Santa Catarina, Campus de Joinville (LIFE-UFSC). Foram avaliadas amplitudes e frequências de oscilação em diferentes números de Reynolds e velocidades reduzidas. Os resultados indicaram que o aumento da rugosidade reduz as amplitudes de vibração transversal e longitudinal, promovendo maior dissipação de energia e alterando levemente as frequências características do sistema.

Vortex-Induced Vibration (VIV) is a significant phenomenon in naval and offshore systems, particularly in cylindrical structures such as risers and umbilicals, which are extensively used in oil platforms and wind energy systems. The surface roughness of these structures greatly impacts the VIV dynamics, influencing vortex formation and structural responses. This study experimentally investigated the effect of different roughness levels on rigid circular cylinders with specific mass ratios and geometric parameters (L/D=13 and S/D=4), mounted on two different elastic supports, both with two degrees of freedom. The roughness conditions were achieved by applying different sand grain sizes, along with a smooth surface as a reference. The tests were conducted in the circulating water channel of the Fluid-Structure Interaction Laboratory at the Federal University of Santa Catarina, Joinville Campus (LIFE-UFSC). Oscillation amplitudes and frequencies were evaluated at various Reynolds numbers and reduced velocities. The results indicated that increased roughness reduces transverse and longitudinal vibration amplitudes, promoting greater energy dissipation and slightly altering the system’s characteristic frequencies.