A investigacao experimental do fenomeno de vibracoes induzidas pela emissao de vortices (VIV) em modelos flexiveis longos lancados em catenaria e sujeitos a pers de correnteza variavel e ortogonais ao plano de lancamento e o tema principal desta tese de doutorado. O objetivo, neste trabalho, e identicar, descrever e discutir os comportamentos dinamicos do VIV nas catenarias sob correnteza variavel, comparando-os com aqueles exibidos por este fenomeno agindo em um cilindro flexivel vertical. Desta forma, tenciona-se contribuir para a compreensao mais geral do VIV nas linhas oceanicas utilizadas na exploracao de petroleo e gas no mar. Neste contexto, muito se sabe sobre o comportamento do VIV em cilindros rgidos montados em suportes elasticos, bem como em cilindros flexiveis nao curvados, ambos os arranjos com uma vasta literatura descrevendo nao so os comportamentos dinamicos, como tambem suas relacoes com os aspectos fluidos que lhe dao origem. Contudo, no caso dos cilindros flexiveis longos, ainda existem pontos que precisam de compreensao mais profunda, particularmente aqueles que representam condicoes mais proximas da operacao oceanica real - o lancamento em catenaria e a acao de um perfil variavel e ortogonal de correnteza. Para tanto, um dispositivo denominado braco giratorio foi projetado e construido para que experimentos com modelos de catenaria em correnteza variavel com a profundidade fossem conduzidos no tanque de provas fisico do laboratorio Tanque de Provas Numerico (TPN), caracterizando uma pesquisa inedita no tema. Como condicoes de ensaio foram consideradas diferentes configuracoes geometricas da catenaria, todas comparadas com um cilindro flexivel vertical ensaiado tanto no braco giratorio, como tambem em tanque de reboque. Tratados segundo uma tecnica de decomposicao modal, os resultados de deslocamento ao longo dos modelos nessas condicoes de ensaio permitiram a identicacao e a descricao de comportamentos dinamicos bastante parecidos nas catenarias, sempre comparados aqueles do modelo vertical, o que trouxe grande abrangencia a compreensao do VIV nas linhas flexiveis em geral. Como contribuicao adicional, este trabalho dotou o tanque de provas do TPN de um equipamento bastante interessante para ampla gama de investigacoes sobre as interacoes fluido-estruturais - o braco giratorio. / The experimental investigation of Vortex-Induced Vibrations (VIV) on long catenary models and subjected to non-uniform velocity profiles, orthogonal to the catenarys plane, it is the main subject of this doctoral thesis. As a main goal, this work search to identify, describe and discuss the dynamic behaviors of VIV on catenary lines under non-uniform velocity profiles, comparing the results with those coming from the same phenomenon acting on flexible cylinders in a vertical configuration. Thus, it is intended to help for a more general understanding of VIV in offshore lines used in the oil and gas exploration at sea. In this context, much is known about the behavior of VIV on rigid cylinders elastically supported, as well as on flexible cylinders with no curvature, both configurations counting with a large literature describing not only the dynamic behaviors, but also their relationships with hydrodynamics aspects. However, in the case of long flexible cylinders, there are still more points to be understand, particularly at those conditions closer to the offshore operations - with catenary lines under variable current profile. Under those considerations, a rotating-arm was designed and assembled in the model basin at Numerical Offshore Tank (TPN), Brazil, for model tests under non-uniform current profile, featuring itself as an unpublished research on this topic. Different catenary geometries were tested in the rotating-arm at USP and also in the towing tank at Institute for Technological Research of the State of Sao Paulo (IPT), Brazil, all of them being compared with a vertical flexible cylinder. From those conditions of test, data was analyzed according to a technique of modal decomposition, so the motion results from all the models allowed the identication and the description of a dynamic behavior quite similar in the catenary when compared to that from a vertical cylinder, which has brought great understanding about the VIV on flexible lines. As an contribution, this work has provided to the TPN\'s model basin an interesting device for a wide variety of researchs on fluid- structural interaction - the rotating-arm.

A investigacao experimental do fenomeno de vibracoes induzidas pela emissao de vortices (VIV) em modelos flexiveis longos lancados em catenaria e sujeitos a pers de correnteza variavel e ortogonais ao plano de lancamento e o tema principal desta tese de doutorado. O objetivo, neste trabalho, e identicar, descrever e discutir os comportamentos dinamicos do VIV nas catenarias sob correnteza variavel, comparando-os com aqueles exibidos por este fenomeno agindo em um cilindro flexivel vertical. Desta forma, tenciona-se contribuir para a compreensao mais geral do VIV nas linhas oceanicas utilizadas na exploracao de petroleo e gas no mar. Neste contexto, muito se sabe sobre o comportamento do VIV em cilindros rgidos montados em suportes elasticos, bem como em cilindros flexiveis nao curvados, ambos os arranjos com uma vasta literatura descrevendo nao so os comportamentos dinamicos, como tambem suas relacoes com os aspectos fluidos que lhe dao origem. Contudo, no caso dos cilindros flexiveis longos, ainda existem pontos que precisam de compreensao mais profunda, particularmente aqueles que representam condicoes mais proximas da operacao oceanica real - o lancamento em catenaria e a acao de um perfil variavel e ortogonal de correnteza. Para tanto, um dispositivo denominado braco giratorio foi projetado e construido para que experimentos com modelos de catenaria em correnteza variavel com a profundidade fossem conduzidos no tanque de provas fisico do laboratorio Tanque de Provas Numerico (TPN), caracterizando uma pesquisa inedita no tema. Como condicoes de ensaio foram consideradas diferentes configuracoes geometricas da catenaria, todas comparadas com um cilindro flexivel vertical ensaiado tanto no braco giratorio, como tambem em tanque de reboque. Tratados segundo uma tecnica de decomposicao modal, os resultados de deslocamento ao longo dos modelos nessas condicoes de ensaio permitiram a identicacao e a descricao de comportamentos dinamicos bastante parecidos nas catenarias, sempre comparados aqueles do modelo vertical, o que trouxe grande abrangencia a compreensao do VIV nas linhas flexiveis em geral. Como contribuicao adicional, este trabalho dotou o tanque de provas do TPN de um equipamento bastante interessante para ampla gama de investigacoes sobre as interacoes fluido-estruturais - o braco giratorio. / The experimental investigation of Vortex-Induced Vibrations (VIV) on long catenary models and subjected to non-uniform velocity profiles, orthogonal to the catenarys plane, it is the main subject of this doctoral thesis. As a main goal, this work search to identify, describe and discuss the dynamic behaviors of VIV on catenary lines under non-uniform velocity profiles, comparing the results with those coming from the same phenomenon acting on flexible cylinders in a vertical configuration. Thus, it is intended to help for a more general understanding of VIV in offshore lines used in the oil and gas exploration at sea. In this context, much is known about the behavior of VIV on rigid cylinders elastically supported, as well as on flexible cylinders with no curvature, both configurations counting with a large literature describing not only the dynamic behaviors, but also their relationships with hydrodynamics aspects. However, in the case of long flexible cylinders, there are still more points to be understand, particularly at those conditions closer to the offshore operations - with catenary lines under variable current profile. Under those considerations, a rotating-arm was designed and assembled in the model basin at Numerical Offshore Tank (TPN), Brazil, for model tests under non-uniform current profile, featuring itself as an unpublished research on this topic. Different catenary geometries were tested in the rotating-arm at USP and also in the towing tank at Institute for Technological Research of the State of Sao Paulo (IPT), Brazil, all of them being compared with a vertical flexible cylinder. From those conditions of test, data was analyzed according to a technique of modal decomposition, so the motion results from all the models allowed the identication and the description of a dynamic behavior quite similar in the catenary when compared to that from a vertical cylinder, which has brought great understanding about the VIV on flexible lines. As an contribution, this work has provided to the TPN\'s model basin an interesting device for a wide variety of researchs on fluid- structural interaction - the rotating-arm.

O estudo do fenômeno de vibrações induzidas pela emissão de vórtices, ou VIV, em risers é um tópico de grande relevância para a engenharia oceânica. Nos últimos anos, diversos resultados vêm sendo apresentados, numéricos e/ou experimentais, buscando o entendimento dos fundamentos deste fenômeno de interação fluido-estrutural, no entanto, sem um entendimento conclusivo e abrangente. Neste contexto, risers também estão sujeitos à ação de correntezas oceânicas e, consequentemente, ao fenômeno de VIV. Neste sentido, o presente estudo traz resultados de uma abordagem experimental para o entendimento do fenômeno de VIV em risers lançados em catenária, configuração que representa grande parte das geometrias adotadas em lançamentos atuais. No entanto, a realização de experimentos com risers em tanque de provas pressupõe a utilização de modelos reduzidos, o que, por si só, representa um grande desafio de pesquisa. Para tanto, desenvolveu-se uma metodologia para a modelagem de risers em escala reduzida, com foco na similaridade entre parâmetros importantes que garantam um comportamento dinâmico equivalente àquele em escala real. Foram, então, realizados experimentos de VIV com catenárias concebidas e construídas com base nesta metodologia, posteriormente ensaiadas em tanque de reboque. Para análise dos resultados, foram utilizadas técnicas como a decomposição modal, que possibilitou a comparação desses com alguns resultados da literatura, mostrando que o fenômeno de VIV na catenária se processa de maneira bastante semelhante ao identificado nos cilindros flexíveis. Além disso, a extensa base de dados experimentais apresentada e discutida nesta tese contribui para futura validação de diversos modelos matemáticos e códigos numéricos de predição do VIV em catenárias, descrevendo com detalhes inúmeros comportamentos imersos neste problema importante de engenharia. / The study of Vortex-induced vibrations in risers is a topic of great relevance in the context of ocean engineering. In recent years, several numerical and experimental results have been presented, addressing the understanding of the fundamentals of this fluid-structure interaction phenomenon, however without a conclusive and comprehensive understanding. In this context, risers are exposed to the action of ocean currents and consequently to the phenomenon of VIV. In this sense, the present study provides results of an experimental approach to understanding the VIV phenomenon on risers launched in catenary configuration, which represents much of the geometries adopted today. However, performing risers experiments in towing-tanks presupposes the use of small-scale models, which represents a major research challenge. Therefore, a methodology for modeling reduced scale risers was developed. The focus of this methodology was on the similarity between certain important parameters that guarantee an equivalent full-scale dynamic behavior. VIV experiments were then performed in the towing tank, with the designed and constructed catenary, based on this methodology. Techniques such as modal decomposition were used for the analysis of the results. This allows the comparison of the results with classical literature paradigms showing that VIV response in the catenary is close to results obtained with flexible cylinders. Furthermore, the large experimental database presented and discussed in the study may contribute to future validation of several mathematical models and numerical codes of VIV prediction in catenary risers, describing in detail several immersed behaviors in this important engineering problem.

O estudo do fenômeno de vibrações induzidas pela emissão de vórtices, ou VIV, em risers é um tópico de grande relevância para a engenharia oceânica. Nos últimos anos, diversos resultados vêm sendo apresentados, numéricos e/ou experimentais, buscando o entendimento dos fundamentos deste fenômeno de interação fluido-estrutural, no entanto, sem um entendimento conclusivo e abrangente. Neste contexto, risers também estão sujeitos à ação de correntezas oceânicas e, consequentemente, ao fenômeno de VIV. Neste sentido, o presente estudo traz resultados de uma abordagem experimental para o entendimento do fenômeno de VIV em risers lançados em catenária, configuração que representa grande parte das geometrias adotadas em lançamentos atuais. No entanto, a realização de experimentos com risers em tanque de provas pressupõe a utilização de modelos reduzidos, o que, por si só, representa um grande desafio de pesquisa. Para tanto, desenvolveu-se uma metodologia para a modelagem de risers em escala reduzida, com foco na similaridade entre parâmetros importantes que garantam um comportamento dinâmico equivalente àquele em escala real. Foram, então, realizados experimentos de VIV com catenárias concebidas e construídas com base nesta metodologia, posteriormente ensaiadas em tanque de reboque. Para análise dos resultados, foram utilizadas técnicas como a decomposição modal, que possibilitou a comparação desses com alguns resultados da literatura, mostrando que o fenômeno de VIV na catenária se processa de maneira bastante semelhante ao identificado nos cilindros flexíveis. Além disso, a extensa base de dados experimentais apresentada e discutida nesta tese contribui para futura validação de diversos modelos matemáticos e códigos numéricos de predição do VIV em catenárias, descrevendo com detalhes inúmeros comportamentos imersos neste problema importante de engenharia. / The study of Vortex-induced vibrations in risers is a topic of great relevance in the context of ocean engineering. In recent years, several numerical and experimental results have been presented, addressing the understanding of the fundamentals of this fluid-structure interaction phenomenon, however without a conclusive and comprehensive understanding. In this context, risers are exposed to the action of ocean currents and consequently to the phenomenon of VIV. In this sense, the present study provides results of an experimental approach to understanding the VIV phenomenon on risers launched in catenary configuration, which represents much of the geometries adopted today. However, performing risers experiments in towing-tanks presupposes the use of small-scale models, which represents a major research challenge. Therefore, a methodology for modeling reduced scale risers was developed. The focus of this methodology was on the similarity between certain important parameters that guarantee an equivalent full-scale dynamic behavior. VIV experiments were then performed in the towing tank, with the designed and constructed catenary, based on this methodology. Techniques such as modal decomposition were used for the analysis of the results. This allows the comparison of the results with classical literature paradigms showing that VIV response in the catenary is close to results obtained with flexible cylinders. Furthermore, the large experimental database presented and discussed in the study may contribute to future validation of several mathematical models and numerical codes of VIV prediction in catenary risers, describing in detail several immersed behaviors in this important engineering problem.