O fenômeno de vibrações induzidas pelo escoamento em pipelines e dutos próximos ao leito oceânico é de grande importância para a Engenharia Naval e Oceânica. O caso prático do vão livre de duto pode ser considerado um assunto ainda pouco discutido. A presente dissertação encontra motivação na compreensão do fenômeno fluidodinâmico através da abordagem experimental. O sistema físico estudado inclui um longo cilindro, de baixa razão de massa (m*) e de natureza flexível (L/D = 131; 45), disposto próximo à uma placa plana. O comportamento assimétrico do escoamento ao redor de um corpo que se encontra próximo à uma placa plana não é governado apenas pelo número de Reynolds, sendo a distância adimensional, e/D, entre o cilindro e a placa de grande impacto no fenômeno. O objetivo principal desta dissertação é caracterizar o comportamento dinâmico de cilindros flexíveis horizontais na presença de uma placa plana sob os efeitos do fenômeno da vibração induzida por vórtices, bem como a interferência na distância entre as duas estruturas na resposta dinâmica do cilindro. A revisão bibliográfica foi pautada na compreensão do problema e no fornecimento de subsídios teóricos para realização do experimento e posterior análise dos dados. O efeito da proximidade da placa foi analisado para quatro diferentes arranjos, e/D = 0, 0.5, 1.0 e 2.0 e variadas condições de escoamento foram testadas, todas contidas no regime sub-crítico (103 < Re < 104). Adicionalmente, a condição do cilindro isolado, ou seja sem a presença da placa, foi investigada. Obteve-se o deslocamento do cilindro, no tempo e espaço, possibilitando grande diversidade na demonstração dos resultados, destaca-se a análise no domínio da frequência e do tempo e a recuperação da trajetória em todos os instantes ao longo do comprimento do cilindro. Os resultados apresentados evidenciam uma magnitude de oscilação maior para as condições em que o cilindro está distante ou isolado da placa. Para todas as condições a natureza flexível do modelo pode ser identificada e discutida pela análise no domínio da frequência e da trajetória descrita pelo cilindro. Na maior parte dos casos, a amplitude transversal cresceu de maneira pronunciada a partir de VR > 3:50 e alcançou amplitudes nominais da ordem de 0.8D. A resposta na direção horizontal apresentou uma dependência linear com a velocidade do escoamento, atingindo valores próximos a 0.65D. Tal magnitude releva a importância do movimento na direção in-line, diferente dos clássicos casos de VIV, onde a amplitude em X é de pouca significância. / The present work aims at improving the understanding of flow induced vibrations on pipelines near the seabed triggered by the current. The present work aims at improving the understanding of flow induced vibrations on pipelines near the seabed triggered by the current, it is of great importance for Naval and Oceanic Engineering. The physical system includes a long cylinder, with low mass ratio (m*) and flexible (L=D = 131; 45), near a at plate. When a cylindrical body is laying close to a at plate, the asymmetric ow behavior around it is no longer solely dominated by the Reynolds number, but the adimensional distance e/D, between the cylinder and the at plate, play an important role in the phenomenon. The main objective of the research conducted is to characterize the behavior of exible horizontal cylinders under the efect of vortex induced vibrations, highlighting the in fluence of the distance between the two structures in the cylinder dynamic response. The experimental data was collected in a towing tank with a model scaled for e/D= 0, 0.5, 1.0, 2.0 and >> 2:0 and Reynolds number ranging from 103 to 104. The cylinder\'s response is presented in terms of its amplitude and frequency. The results shown a high magnitude of oscillation for the conditions in which the cylinder is distant or isolated from the plate. For all conditions the exible behavior was identified and discussed through the analysis in the frequency domain and the trajectory described by the cylinder. In most cases, the transverse amplitude grew steeply from VR > 3:50 and reached nominal amplitudes of the order of 0.8D. The response in horizontal direction showed a linear dependence with the flow velocity, reaching values close to 0.65D. Such magnitude highlights the importance of movement in the in-line direction, different from the classical cases of VIV.

Em experimentos com um cilindro flexível com rigidez a flexão ortotrópica, proporcionando razão entre frequências naturais longitudinal e transversal muito próximas a quatro (fx1fy1/=4,08), Fujarra et al (2001) [17] revelaram um ramo de resposta em VIV em alta velocidade. Tal ramo de respostas estável, excitado por perturbações a montante, era caracterizado por amplitudes transversais ao escoamento com ordem de 1 diâmetro e componentes de alta frequência no espectro de energia, estendendo-se por faixa de velocidade reduzida 12 < U* < 20 e esvaindo-se a partir da emergência de oscilações no segundo modo de vibração. Almejando aprofundar as investigações acerca deste intrigante achado experimental, uma nova campanha investigativa foi planejada e executada. Quatro cilindros flexíveis com distintas razões de rigidez ortotrópica foram construídos em resina polimérica, com enrijecedores internos de seções retangulares feitos de alumínio, resultando um conjunto com frequências naturais, correspondentes a modos longitudinais e transversais, com razões relativas: 4:1, 3:1, 2:1 e 1:1. Os cilindros foram verticalmente fixados a uma célula de carga 3D. Uma série de ensaios foi conduzida, sob velocidade de escoamento crescente e decrescente. As vibrações dos cilindros flexíveis foram capturadas através de um sistema óptico subaquático, posicionado a jusante, que rastreava a posição de alvos constituídos por fitas refletivas afixadas ao longo do comprimento do cilindro. Clássicas técnicas de análise espectral, decomposição modal no domínio do tempo e a Transformada de Hilbert-Huang foram utilizadas de modo encadeado e recursivo com o fim de determinar as respostas de vibração, em amplitude e frequências dominantes, em função da velocidade reduzida. O ramo de resposta em altas velocidades reduzidas foi recuperado nos experimentos com os quatro cilindros. Análise comparativa sistemática permitiu concluir que o ramo de resposta em tela se deve ao lock-in de modos longitudinais, que são excitados em velocidades reduzidas tão mais altas quanto maior for a razão de frequências considerada. Empregando-se, então, os deslocamentos e velocidades modais medidos em formulação de Mineto (2013) [23], foi realizada estimativa de potência elétrica a ser extraída pelo emprego de finos filmes de material piezelétrico depositados sobre as lâminas enrijecedoras internas aos cilindros. / A previous work by Fujarra et al. (2001) revealed a \"high speed mode branch\" in cantilevered flexible cylinders subjected to VIV. That work studied a flexible cylinder with orthotropic bending stiffness in a recirculating water channel, by setting the ratio between the first natural frequencies, in the in-line and cross-wise directions to the flow, very close to four (fx1fy1/=4,08). Such a new stable response branch, triggered by upstream hydrodynamic perturbations, was characterized by amplitudes, perpendicular to the flow, of order of one diameter and by high frequencies components in the energy spectrum. The branch extends from reduced velocity circa 12 up to 20, being extinguished by the onset of the second vibration mode lock-in. Aiming at investigating further this intriguing experimental finding, a new campaign has been planned and performed. Four flexible cylinders with distinct orthotropic bending ratios were built, by molding thin aluminum stiffeners, of rectangular cross section, inside the cylinders made of a flexible resin. The respective natural frequencies ratio, between in-line and cross-wise bending modes, was set to 4:1, 3:1, 2:1 and 1:1. The flexible cylinders were vertically clamped to a 3D load cell. A series of experimental runs were carried out, under ascending and descending flow speeds. The flexible cylinder vibration was captured trough an underwater optical system, placed downstream, by tracking 3D Cartesian coordinates of reflective strips placed all along the span, at equi-spaced cross sections. Besides standard spectral analysis techniques, modal decomposition in time domain and the Hilbert-Huang Transform have been recursively used together to determine amplitude and dominant response frequencies. The \"high speed mode branch\" revealed for all four cylinders tested. Systematic comparative analysis allowed us to conclude that such a response branch is caused by the lock-in of longitudinal modes, excited at reduced velocities ranges that increase with the frequency ratio considered. Finally, using measured modal responses in Mineto (2013) [23] formulation, the electric power that would be extracted by the use of thin piezoelectric layers deposited over the internal stiffeners blades was estimated.

Em experimentos com um cilindro flexível com rigidez a flexão ortotrópica, proporcionando razão entre frequências naturais longitudinal e transversal muito próximas a quatro (fx1fy1/=4,08), Fujarra et al (2001) [17] revelaram um ramo de resposta em VIV em alta velocidade. Tal ramo de respostas estável, excitado por perturbações a montante, era caracterizado por amplitudes transversais ao escoamento com ordem de 1 diâmetro e componentes de alta frequência no espectro de energia, estendendo-se por faixa de velocidade reduzida 12 < U* < 20 e esvaindo-se a partir da emergência de oscilações no segundo modo de vibração. Almejando aprofundar as investigações acerca deste intrigante achado experimental, uma nova campanha investigativa foi planejada e executada. Quatro cilindros flexíveis com distintas razões de rigidez ortotrópica foram construídos em resina polimérica, com enrijecedores internos de seções retangulares feitos de alumínio, resultando um conjunto com frequências naturais, correspondentes a modos longitudinais e transversais, com razões relativas: 4:1, 3:1, 2:1 e 1:1. Os cilindros foram verticalmente fixados a uma célula de carga 3D. Uma série de ensaios foi conduzida, sob velocidade de escoamento crescente e decrescente. As vibrações dos cilindros flexíveis foram capturadas através de um sistema óptico subaquático, posicionado a jusante, que rastreava a posição de alvos constituídos por fitas refletivas afixadas ao longo do comprimento do cilindro. Clássicas técnicas de análise espectral, decomposição modal no domínio do tempo e a Transformada de Hilbert-Huang foram utilizadas de modo encadeado e recursivo com o fim de determinar as respostas de vibração, em amplitude e frequências dominantes, em função da velocidade reduzida. O ramo de resposta em altas velocidades reduzidas foi recuperado nos experimentos com os quatro cilindros. Análise comparativa sistemática permitiu concluir que o ramo de resposta em tela se deve ao lock-in de modos longitudinais, que são excitados em velocidades reduzidas tão mais altas quanto maior for a razão de frequências considerada. Empregando-se, então, os deslocamentos e velocidades modais medidos em formulação de Mineto (2013) [23], foi realizada estimativa de potência elétrica a ser extraída pelo emprego de finos filmes de material piezelétrico depositados sobre as lâminas enrijecedoras internas aos cilindros. / A previous work by Fujarra et al. (2001) revealed a \"high speed mode branch\" in cantilevered flexible cylinders subjected to VIV. That work studied a flexible cylinder with orthotropic bending stiffness in a recirculating water channel, by setting the ratio between the first natural frequencies, in the in-line and cross-wise directions to the flow, very close to four (fx1fy1/=4,08). Such a new stable response branch, triggered by upstream hydrodynamic perturbations, was characterized by amplitudes, perpendicular to the flow, of order of one diameter and by high frequencies components in the energy spectrum. The branch extends from reduced velocity circa 12 up to 20, being extinguished by the onset of the second vibration mode lock-in. Aiming at investigating further this intriguing experimental finding, a new campaign has been planned and performed. Four flexible cylinders with distinct orthotropic bending ratios were built, by molding thin aluminum stiffeners, of rectangular cross section, inside the cylinders made of a flexible resin. The respective natural frequencies ratio, between in-line and cross-wise bending modes, was set to 4:1, 3:1, 2:1 and 1:1. The flexible cylinders were vertically clamped to a 3D load cell. A series of experimental runs were carried out, under ascending and descending flow speeds. The flexible cylinder vibration was captured trough an underwater optical system, placed downstream, by tracking 3D Cartesian coordinates of reflective strips placed all along the span, at equi-spaced cross sections. Besides standard spectral analysis techniques, modal decomposition in time domain and the Hilbert-Huang Transform have been recursively used together to determine amplitude and dominant response frequencies. The \"high speed mode branch\" revealed for all four cylinders tested. Systematic comparative analysis allowed us to conclude that such a response branch is caused by the lock-in of longitudinal modes, excited at reduced velocities ranges that increase with the frequency ratio considered. Finally, using measured modal responses in Mineto (2013) [23] formulation, the electric power that would be extracted by the use of thin piezoelectric layers deposited over the internal stiffeners blades was estimated.