Análise numérica preliminar de supressores de Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV) em dutos utilizando OpenFOAM

Abstract

O aumento do consumo de energia tem impulsionado a exploração offshore em águas profundas, onde risers (conjunto de dutos que permitem a conexão entre plataforma e poço de petróleo) são componentes essenciais, mas suscetíveis às Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV), fenômeno capaz de comprometer sua integridade e reduzir sua vida útil. A mitigação das VIV, portanto, tornou-se um tema central na engenharia offshore. Nesse contexto, este trabalho investigou numericamente, e de maneira preliminar, a eficácia de diferentes geometrias de supressores de VIV, submetidos a um escoamento com número de Reynolds de 9110. Esse valor foi determinado com base nos dados experimentais de Fujarra et al. (2024), assumindo a velocidade reduzida correspondente à máxima amplitude transversal observada para o cilindro liso. Foram realizadas simulações bidimensionais na seção transversal de um duto cilíndrico circular fixo e dos supressores, também fixos, utilizando o software OpenFOAM com o método RANS e o modelo de turbulência k-ω SST. As quatro configurações analisadas foram: cilindro liso e supressores do tipo cactus, strake helicoidal típico e double splitter plate (DSP). A validação foi realizada para o caso do cilindro liso, empregando o método do Índice de Convergência de Malha (GCI). A malha validada foi posteriormente utilizada nos casos com supressores. Os resultados demonstraram que todos os supressores modificaram o padrão de desprendimento de vórtices, reduzindo a intensidade das oscilações de arrasto e sustentação em relação ao cilindro liso. Dentre os supressores analisados, o strake helicoidal típico apresentou o menor valor do coeficiente de sustentação rms, indicando melhor desempenho na mitigação das VIV. Essa eficácia foi evidenciada pela análise da densidade espectral de potência (PSD) e do perfil de vorticidade, que mostraram redução das oscilações dos coeficientes hidrodinâmicos e alterações na formação dos vórtices.

The increasing demand for energy has driven offshore exploration in deep waters, where risers (a set of pipes connecting the platform to the oil well) are essential components but are susceptible to Vortex-Induced Vibrations (VIV), a phenomenon capable of compromising their structural integrity and reducing service life. The mitigation of VIV has, therefore, become a central topic in offshore engineering. In this context, this work carried out a preliminary numerical investigation on the effectiveness of different VIV suppressor geometries, subjected to a flow with a Reynolds number of 9110. This value was determined based on the experimental data from Fujarra et al. (2024), assuming the reduced velocity corresponding to the maximum transverse amplitude observed for the smooth cylinder. Two-dimensional simulations were performed on the cross-section of a fixed circular cylindrical pipe and fixed suppressors using the OpenFOAM software, with the RANS method and the k-ω SST turbulence model. The four configurations analyzed were: smooth cylinder and suppressors of the cactus, typical helical strake, and double splitter plate (DSP) types. Validation was performed for the smooth cylinder case using the Grid Convergence Index (GCI) method. The validated mesh was subsequently used in the cases with suppressors. The results showed that all suppressors altered the vortex shedding pattern, reducing the intensity of drag and lift oscillations compared to the smooth cylinder. Among the analyzed suppressors, the typical helical strake presented the lowest root mean square lift coefficient, indicating better performance in mitigating VIV. This effectiveness was evidenced by the analysis of the power spectral density (PSD) and vorticity profiles, which showed reduced oscillations in the hydrodynamic coefficients and changes in vortex formation.