A vibração induzida por escoamento é parte intrínseca do transporte de fluidos. Por exemplo, na indústria de petróleo e gás esse fenômeno pode ser encontrado em tubulações, tanto no setor upstream, quando downstream. Essas vibrações são produto das forças geradas pelo escoamento e, portanto, carregam informações sobre sua fenomenologia. No caso de escoamento bifásico em tubo, resultados experimentais indicam forte influência da velocidade da mistura, fração de vazio e padrão de escoamento no comportamento dinâmico da estrutura. Contudo, pouco foi feito na tentativa de obter informações do escoamento a partir da reposta estrutural. Assim, o objetivo do presente estudo é desenvolver métodos para a previsão dos parâmetros do escoamento baseados na resposta de um tubo submetido a escoamento bifásico. Foi conduzido um trabalho experimental da vibração induzida por diversos padrões gás-líquido numa tubulação horizontal (PVC Ø3/4\'\') duplamente engastada, com água e ar como fluidos de trabalho. A partir de uma abordagem analítica, corroborada com resultados experimentais para escoamento monofásico e bifásico, estabelece-se a existência de uma relação, de natureza quadrática, entre a velocidade de atrito e o desvio padrão da aceleração. Dado que a velocidade de atrito é função do fator de atrito bifásico, um método para a sua previsão é desenvolvido. Ele prevê de maneira precisa os dados coletados; todos eles com erro percentual menor do que 30%. O método foi comparado também com dados experimentais e modelos da literatura, mostrando boa concordância. Além disso, apresenta-se uma relação entre a frequência pico da resposta e a fração de vazio homogênea. No fim, são apresentados: (i) um método de identificação de escoamento pistonado, baseado na superposição dos mecanismos de vibração por turbulência e intermitente, com desempenho mínimo de 81.8%; (ii) um método experimental para determinação da velocidade da mistura (J) e fração de vazio homogênea (β). Os melhores resultados são obtidos para os padrões disperso e pistonado, prevendo adequadamente os parâmetros J e β com erro percentual absoluto médio de 24.1% e 20.65%, respectivamente. / Flow-induced vibration is intrinsic to piping problems. For example, in the oil and gas industry the FIV phenomenon can be found in pipe flow both in upstream and downstream applications. The structural vibration response contains information about the flow phenomenology. In the case of two-phase pipe flow, experimental results show a strong influence of mixture velocity, void fraction and flow pattern on pipe structural dynamics. However, efforts to obtain information of the flow from pipe response have been scanty. The goal of this study is to develop two-phase flow parameters predictive methods based on the structural pipe response. An experimental study of flow-induced vibration was carried out for several flow patterns in a clamp-clamp straight pipe (PVC Ø3/4\'\'), with air and water as working fluids. From an analytical approach, a quadratic relationship between shear velocity and standard deviation of acceleration is proposed and validated against the experimental data of single and two-phase flow. Since the shear velocity depends on the friction factor, a method to predict two-phase friction factor is presented. The method predicts accurately our experimental data with a mean absolute error up to 30%. Good agreement was also found when it was compared with some models and experimental data from the literature. Furthermore, an expression to correlate peak frequency and homogeneous void fraction as a function of added mass is offered. Finally, we present: (i) a slug flow identification technique based on the superposition of the turbulence and intermittent flow-induced vibration mechanisms, with performance of 81.8% and (ii) an experimental methodology to estimate mixture velocity (J) and homogeneous void fraction (β). The latter method shows better agreement for dispersed and slug flow-patterns, predicting J and β with a mean absolute error of 24.1% e 20.65%, respectively.

Os resultados de uma simulação numérica são apresentados para amplitudes de vibração induzidas por um escoamento transversal num feixe tubular no regime de instabilidade fluidelástica.O feixe tubular considerado tem geometria e características iguais às de uma instalação equivalente descrita na literatura, para a qual estão disponíveis as medições experimentais das amplitudes de vibração no regime de instabilidade elástica.O arranjo tipo triângulo rodado tem uma relação passo/diâmetro de 1,375 e consiste de um tubo móvel cercado por 134 tubos rígidos.A simulação numérica foi efetuada através de um software comercial de CFD (Computational Fluid dynamics).Para a região em torno de cada tubo foi considerada uma malha com dimensões do elemento crescendo geometricamente na direção normal ao tubo com fator de crescimento 1,13 , sendo a dimensão do elemento adjacente ao tubo igual a 0,1% do diâmetro externo do tubo.Na simulação numérica o escoamento foi considerado incompressível, monofásico, turbulento e bidimensional. Os dados do escoamento foram considerados idênticos aos das experiências da instalação descrita na literatura.Os resultados obtidos para as amplitudes pela simulação numérica são comparados com os resultados obtidos experimentalmente na instalação acima citada.Os desvios da maioria dos valores calculados em relação aos valores experimentais estão numa faixa aceitável. Isto mostra que existe a possibilidade de utilização, num futuro próximo, de CFD para análise deste tipo de problemas. / Results from a numerical simulation are reported for amplitudes of cross-flow induced vibrations at the fluid elastic instability regime in a tube bank. The tube bank has identical geometry and characteristics as for an experimental facility described in the literature, for which there are experimental measurements of the amplitudes of vibrations at the fluid elastic instability regime.The rotated triangular array has a pitch ratio of 1.375 and consists of 1 movable tube surrounded by 134 rigid tubes. The numerical simulations were accomplished with a commercial CFD (Computational Fluid Dynamics) software. For the region around each tube, a mesh with elements dimensions growing geometrically normal to the tube was considered, with growing factor 1.13, and the dimension for the element adjacent to the tube wall was set to 0.1% of the tube external diameter. The flow was considered incompressible, monophasic, turbulent and two-dimensional for the numerical simulation. The flow data considered were the same as for the experiments at the facility. The results presented in this paper for the amplitudes obtained by numerical simulation are compared with the experimental results obtained in the above mentioned experimental facility.The differences between the calculated values and the experimental values are acceptable. This show that in the near future there is the possibility to use CFD for these kind of problems.

Esta Dissertação de Mestrado apresenta um estudo experimental sobre os efeitos de interferência das vibrações induzidas pelo escoamento ao redor de cilindros rígidos livres para oscilar transversalmente ao escoamento fluido. Primeiramente, justifica a necessidade de pesquisas experimentais dentro do contexto prático da engenharia offshore, que motiva este trabalho. Apresenta uma revisão bibliográfica sobre escoamentos ao redor de corpos rombudos seguida de uma síntese sobre vibrações induzidas pelo escoamento. Destacam-se as oscilações causadas por VIV – Vibrações Induzidas por Vórtices e “galloping" como os fenômenos até o momento atribuídos às excitações de um cilindro isolado e um par de cilindros alinhados com o escoamento. Apresenta a metodologia experimental empregada, descrevendo a aplicação de bases elásticas fletoras com um grau de liberdade. Introduz as técnicas experimentais e de tratamento de sinais utilizadas e faz rápidas considerações sobre a realização de ensaios nos dois canais de água circulante onde os experimentos foram conduzidos. Os resultados apresentados, discutidos e comparados envolvem: medições da resposta dinâmica em amplitude e freqüência dominante de oscilação; medição instantânea do ângulo de fase entre a força fluida e o deslocamento do cilindro e do ângulo de fase entre as oscilações de dois cilindros; e medições da dinâmica da esteira com PIV. Os arranjos de cilindros estudados são: cilindro isolado; par alinhado com cilindro à montante oscilando; par alinhado com cilindro à jusante oscilando; e par alinhado com ambos os cilindro oscilando. Todas as configurações analisadas em detalhes possuem baixo parâmetro de massa e baixíssimo parâmetro de amortecimento . Os espaçamentos entre os centros dos cilindros alinhados variam entre . A faixa de velocidade reduzida analisada está entre. Um cilindro isolado apresentou resposta típica de VIV com os três ramos de resposta (inicial, superior e inferior) identificados. O fenômeno de intermitência do ângulo de fase instantâneo foi verificado nas regiões de transição. Os modos 2S e 2P de emissão de vórtices foram identificados com PIV. Estes dados mostraram boa concordância com outros experimentos da literatura e serviram de referência para as demais comparações deste texto. A resposta de um cilindro oscilando à montante de outro fixo também apresentou comportamento típico de VIV. Conclui-se que o primeiro cilindro não sofre efeito de interferência do cilindro à jusante para os espaçamento e velocidades analisados. Os principais efeitos de interferência ocorrem para um cilindro oscilando à jusante de outro fixo. Este arranjo, foco deste estudo, não apresenta resposta típica de VIV, uma vez que a amplitude apresenta um ramo crescente após a faixa típica de sincronização. Também não apresenta resposta típica de excitação pura por galloping, já que a força fluida não está em fase com a velocidade do cilindro. Assim, denomina-se um novo fenômeno responsável por estas excitações que combina: captura da freqüência de emissão e faixa de sincronização de VIV; e amplitude assintoticamente crescente típica da resposta de galloping. Trata-se das WIV – Vibrações por Interferência da Esteira. Quando ambos os cilindros estão livres para oscilar, o cilindro à montante continua apresentando resposta típica de VIV, enquanto o segundo cilindro responde com ramos descontínuos também excitados por WIV. Por fim, conclui-se que não é conveniente chamar de “excitações por galloping" os ramos crescentes nas configurações de interferência. Entende-se que esta resposta esteja sendo excitada pelos efeitos de interferência das esteiras formada entre os cilindros e desprendida no cilindro à jusante. Sugere-se que a nomenclatura Vibrações por Interferência da Esteira seja mais adequada à natureza dos fenômenos. As visualizações de PIV foram importantes para a verificação da redução do comprimento de formação de vórtices com o aumento do número de Reynolds, mostrando a necessidade de experimentos de interferência com Reynolds constante. Encerra-se o texto apresentando propostas para trabalhos futuros que continuem nesta linha de pesquisa. / This MSc Thesis presents an experimental study on flow-induced vibrations and interference effects around rigid circular cylinders free to oscillate transversally to the flow. Firstly, it justifies the real needs of an experimental approach within the context of offshore engineering, which motivates this project. After that, presents a review over bluff-bodies flows followed by some consideration concerning flow-induced vibrations. Special attention is found over the oscillations caused by VIV – Vortex-Induced Vibrations and galloping phenomena, which are attributed to excite either a single isolated cylinder or a pair of tandem interfering cylinders. The experimental methodology is shown, describing the applications of elastic bases with one degree of freedom. Experimental techniques and signal analysis procedures are discussed considering the executions of these experiments in two water channel facilities. Presented, discussed and compared results involve: dynamic responses in amplitude and dominant oscillation frequency; instantaneous phase angle between fluid forces and cylinder displacement and phase angle betweens the two cylinders oscillations; and wake dynamics measurements and visualizations employing PIV technique. Cylinders are arranged as follow: single isolated cylinder; tandem pair with upstream one free to oscillate; tandem pair with downstream one free to oscillate; tandem pair with both cylinders free to oscillate. All carefully analyzed arrangements present low-mass parameter and very low damping . Gaps between cylinder centers vary through . Reduced velocity range is comprised in. The isolated cylinder case presented a typical VIV response, with three identified branches (initial, upper and lower). The instantaneous phase angle intermittency phenomenon was observed in transition regions. The 2S and 2P vortex modes were verified by PIV technique. These data showed to be in accordance to other literature measurements and are employed as reference results for comparisons throughout this text. The dynamic response of a cylinder oscillating upstream a fixed one showed a typical VIV behavior. From this can be concluded that the downstream cylinder does not imply any interference phenomenon for analyzed gaps and velocities. On the other hand, major interference effects occur when a downstream cylinder is oscillating in the wake of another fixed one. This configuration, which is the focus of this study, does not show a typical VIV response, since amplitude curves present a crescent branch after the typical synchronization regime. It does not either present a typical galloping excitation response, since the fluid forces are not in phase with the cylinder velocity. Thus, a new suggested name, WIV – Wake-Interference Vibrations, describes the phenomenon responsible for these excitations, which combines: lock-in of shedding frequency from VIV; and asymptotically crescent response from galloping-like excitations. When both cylinders are free to oscillate, the upstream one presents the typical VIV response, while the downstream one passes through three branches with discontinuities, excited by WIV. Finally, it can be concluded that is not convenient to call “galloping excitation" these crescent branches for interference arrangements. It can be understood that the dynamic response is being excited by the interference effects from upstream wake and downstream cylinder vortices. The nomenclature Wake-Interference Vibrations is suggested to be more adequate to the nature of this phenomenon. In addition, PIV visualizations showed to be very important to certify that the formation length decreases while increasing Reynolds number, requiring interference experiments with constant Reynolds numbers. To conclude, some suggestions for future work in this research field are presented.

This research focuses on developing sensors for properties of aerodynamic interest (i.e., flow and pressure) based on low-cost polymeric materials and simple fabrication processes. Such sensors can be fabricated in large arrays, covering the surface of airfoils typically used in unmanned vehicles, allowing for the detection of flow separation. This in turn potentially enables, through the use of closed-loop control, an expansion of the flight envelope of these vehicles. A key advance is compensation for the typically inferior performance of these low cost materials through both careful design as well as new readout methods that reduce drift, namely a readout methodology based on aeroelastic flutter. An all-polymer micromachined piezoresistive flow sensor is fabricated, based on a flexible polyimide substrate and an elastomeric piezoresistive composite material. The flow sensor comprises a cantilever that is extended into the embedding flow; flow-induced stress on the cantilever is sensed through the piezoresistive composite material. Increasing the sensitivity of the sensor is achieved by either utilizing a long single-cantilever beam or using a dual-cantilever beam supporting a flap extending into the flow. In the latter case, the sensor demonstrates increased sensitivity with a reduced cantilever length. The increase in sensitivity helps to reduce sensor drift, which in turn is further reduced by a new measurement method, the vibration amplitude measurement method. In this drift reduction measurement method, the flow-induced vibration amplitude of the sensor structure (i.e., the amplitude of the aeroelastic flutter induced by the flow), instead of the absolute value of cantilever deflection, is measured in order to find the flow rate. Measurement of this relative resistance change instead of the absolute resistance in the piezoresistor rejects common-mode drift and greatly reduces overall drift. Experimental results verify the expected drift reduction. Sensor drift is also reduced when the elastomeric piezoresistive material is replaced by a Pt thin film piezoresistor. Development of pressure sensors based on polymers proceeds by encapsulating a reference cavity within a multilayer polymer structure and forming capacitor plates on the polymeric membranes encapsulating the cavity. Measuring the capacitance change induced by changes in the embedding pressure (which cause changes in the positions of the bounding polymeric membranes) enables calculation of the pressure. The use of polymeric membranes requires understanding the leakage rate of gas into the reference cavity, which is a source of pressure drift. Developing a polymer-based pressure sensor that solves the problem of sensor drift as a result of gas permeation entails the fabrication of a silicon pressure reference cavity embedded in the polymer substrate, which results in a more hermetic and lower drift sensor while preserving the flexibility of the embedding polymer. Both wired and wireless versions of pressure and flow sensors of these types were developed and characterized. Further, the sensors were characterized on airfoils and their performance in a wind tunnel was determined.

Response of flexible structures — such as cable-supported bridges and aircraft wings — is associated with a number of uncertainties in structural and flow parameters. This thesis is aimed at efficient uncertainty quantification in a few such flow and flow-induced structural response problems. First, the uncertainty quantification in the lift force exerted on a submerged body in a potential flow is considered. To this end, a new method — termed here as semi-intrusive stochastic perturbation (SISP) — is proposed. A sensitivity analysis is also performed, where for the global sensitivity analysis (GSA) the Sobol’ indices are used. The polynomial chaos expansion (PCE) is used for estimating these indices. Next, two stability problems —divergence and flutter — in the aeroelasticity are studied in the context of reliability based design optimization (RBDO). Two modifications are proposed to an existing PCE-based metamodel to reduce the computational cost, where the chaos coefficients are estimated using Gauss quadrature to gain computational speed and GSA is used to create nonuniform grid to reduce the cost even further. The proposed method is applied on a rectangular unswept cantilever wing model. Next, reliability computation in limit cycle oscillations (LCOs) is considered. While the metamodel performs poorly in this case due to bimodality in the distribution, a new simulation-based scheme proposed to this end. Accordingly, first a reduced-order model (ROM) is used to identify the critical region in the random parameter space. Then the full-scale expensive model is run only over a this critical region. This is applied to the rectangular unswept cantilever wing with cubic and fifth order stiffness terms in its equation of motion. Next, the wind speed is modeled as a spatio-temporal process, and accordingly new representations of spatio-temporal random processes are proposed based on tensor decompositions of the covariance kernel. These are applied to three problems: a heat equation, a vibration, and a readily available covariance model for wind speed. Finally, to assimilate available field measurement data on wind speed and to predict based on this assimilation, a new framework based on the tensor decompositions is proposed. The framework is successfully applied to a set of measured data on wind speed in Ireland, where the prediction based on simulation is found to be consistent with the observed data.

A vibração induzida por escoamento é parte intrínseca do transporte de fluidos. Por exemplo, na indústria de petróleo e gás esse fenômeno pode ser encontrado em tubulações, tanto no setor upstream, quando downstream. Essas vibrações são produto das forças geradas pelo escoamento e, portanto, carregam informações sobre sua fenomenologia. No caso de escoamento bifásico em tubo, resultados experimentais indicam forte influência da velocidade da mistura, fração de vazio e padrão de escoamento no comportamento dinâmico da estrutura. Contudo, pouco foi feito na tentativa de obter informações do escoamento a partir da reposta estrutural. Assim, o objetivo do presente estudo é desenvolver métodos para a previsão dos parâmetros do escoamento baseados na resposta de um tubo submetido a escoamento bifásico. Foi conduzido um trabalho experimental da vibração induzida por diversos padrões gás-líquido numa tubulação horizontal (PVC Ø3/4\'\') duplamente engastada, com água e ar como fluidos de trabalho. A partir de uma abordagem analítica, corroborada com resultados experimentais para escoamento monofásico e bifásico, estabelece-se a existência de uma relação, de natureza quadrática, entre a velocidade de atrito e o desvio padrão da aceleração. Dado que a velocidade de atrito é função do fator de atrito bifásico, um método para a sua previsão é desenvolvido. Ele prevê de maneira precisa os dados coletados; todos eles com erro percentual menor do que 30%. O método foi comparado também com dados experimentais e modelos da literatura, mostrando boa concordância. Além disso, apresenta-se uma relação entre a frequência pico da resposta e a fração de vazio homogênea. No fim, são apresentados: (i) um método de identificação de escoamento pistonado, baseado na superposição dos mecanismos de vibração por turbulência e intermitente, com desempenho mínimo de 81.8%; (ii) um método experimental para determinação da velocidade da mistura (J) e fração de vazio homogênea (β). Os melhores resultados são obtidos para os padrões disperso e pistonado, prevendo adequadamente os parâmetros J e β com erro percentual absoluto médio de 24.1% e 20.65%, respectivamente. / Flow-induced vibration is intrinsic to piping problems. For example, in the oil and gas industry the FIV phenomenon can be found in pipe flow both in upstream and downstream applications. The structural vibration response contains information about the flow phenomenology. In the case of two-phase pipe flow, experimental results show a strong influence of mixture velocity, void fraction and flow pattern on pipe structural dynamics. However, efforts to obtain information of the flow from pipe response have been scanty. The goal of this study is to develop two-phase flow parameters predictive methods based on the structural pipe response. An experimental study of flow-induced vibration was carried out for several flow patterns in a clamp-clamp straight pipe (PVC Ø3/4\'\'), with air and water as working fluids. From an analytical approach, a quadratic relationship between shear velocity and standard deviation of acceleration is proposed and validated against the experimental data of single and two-phase flow. Since the shear velocity depends on the friction factor, a method to predict two-phase friction factor is presented. The method predicts accurately our experimental data with a mean absolute error up to 30%. Good agreement was also found when it was compared with some models and experimental data from the literature. Furthermore, an expression to correlate peak frequency and homogeneous void fraction as a function of added mass is offered. Finally, we present: (i) a slug flow identification technique based on the superposition of the turbulence and intermittent flow-induced vibration mechanisms, with performance of 81.8% and (ii) an experimental methodology to estimate mixture velocity (J) and homogeneous void fraction (β). The latter method shows better agreement for dispersed and slug flow-patterns, predicting J and β with a mean absolute error of 24.1% e 20.65%, respectively.

Esta Dissertação de Mestrado apresenta um estudo experimental sobre os efeitos de interferência das vibrações induzidas pelo escoamento ao redor de cilindros rígidos livres para oscilar transversalmente ao escoamento fluido. Primeiramente, justifica a necessidade de pesquisas experimentais dentro do contexto prático da engenharia offshore, que motiva este trabalho. Apresenta uma revisão bibliográfica sobre escoamentos ao redor de corpos rombudos seguida de uma síntese sobre vibrações induzidas pelo escoamento. Destacam-se as oscilações causadas por VIV – Vibrações Induzidas por Vórtices e “galloping” como os fenômenos até o momento atribuídos às excitações de um cilindro isolado e um par de cilindros alinhados com o escoamento. Apresenta a metodologia experimental empregada, descrevendo a aplicação de bases elásticas fletoras com um grau de liberdade. Introduz as técnicas experimentais e de tratamento de sinais utilizadas e faz rápidas considerações sobre a realização de ensaios nos dois canais de água circulante onde os experimentos foram conduzidos. Os resultados apresentados, discutidos e comparados envolvem: medições da resposta dinâmica em amplitude e freqüência dominante de oscilação; medição instantânea do ângulo de fase entre a força fluida e o deslocamento do cilindro e do ângulo de fase entre as oscilações de dois cilindros; e medições da dinâmica da esteira com PIV. Os arranjos de cilindros estudados são: cilindro isolado; par alinhado com cilindro à montante oscilando; par alinhado com cilindro à jusante oscilando; e par alinhado com ambos os cilindro oscilando. Todas as configurações analisadas em detalhes possuem baixo parâmetro de massa e baixíssimo parâmetro de amortecimento . Os espaçamentos entre os centros dos cilindros alinhados variam entre . A faixa de velocidade reduzida analisada está entre. Um cilindro isolado apresentou resposta típica de VIV com os três ramos de resposta (inicial, superior e inferior) identificados. O fenômeno de intermitência do ângulo de fase instantâneo foi verificado nas regiões de transição. Os modos 2S e 2P de emissão de vórtices foram identificados com PIV. Estes dados mostraram boa concordância com outros experimentos da literatura e serviram de referência para as demais comparações deste texto. A resposta de um cilindro oscilando à montante de outro fixo também apresentou comportamento típico de VIV. Conclui-se que o primeiro cilindro não sofre efeito de interferência do cilindro à jusante para os espaçamento e velocidades analisados. Os principais efeitos de interferência ocorrem para um cilindro oscilando à jusante de outro fixo. Este arranjo, foco deste estudo, não apresenta resposta típica de VIV, uma vez que a amplitude apresenta um ramo crescente após a faixa típica de sincronização. Também não apresenta resposta típica de excitação pura por galloping, já que a força fluida não está em fase com a velocidade do cilindro. Assim, denomina-se um novo fenômeno responsável por estas excitações que combina: captura da freqüência de emissão e faixa de sincronização de VIV; e amplitude assintoticamente crescente típica da resposta de galloping. Trata-se das WIV – Vibrações por Interferência da Esteira. Quando ambos os cilindros estão livres para oscilar, o cilindro à montante continua apresentando resposta típica de VIV, enquanto o segundo cilindro responde com ramos descontínuos também excitados por WIV. Por fim, conclui-se que não é conveniente chamar de “excitações por galloping” os ramos crescentes nas configurações de interferência. Entende-se que esta resposta esteja sendo excitada pelos efeitos de interferência das esteiras formada entre os cilindros e desprendida no cilindro à jusante. Sugere-se que a nomenclatura Vibrações por Interferência da Esteira seja mais adequada à natureza dos fenômenos. As visualizações de PIV foram importantes para a verificação da redução do comprimento de formação de vórtices com o aumento do número de Reynolds, mostrando a necessidade de experimentos de interferência com Reynolds constante. Encerra-se o texto apresentando propostas para trabalhos futuros que continuem nesta linha de pesquisa. / This MSc Thesis presents an experimental study on flow-induced vibrations and interference effects around rigid circular cylinders free to oscillate transversally to the flow. Firstly, it justifies the real needs of an experimental approach within the context of offshore engineering, which motivates this project. After that, presents a review over bluff-bodies flows followed by some consideration concerning flow-induced vibrations. Special attention is found over the oscillations caused by VIV – Vortex-Induced Vibrations and galloping phenomena, which are attributed to excite either a single isolated cylinder or a pair of tandem interfering cylinders. The experimental methodology is shown, describing the applications of elastic bases with one degree of freedom. Experimental techniques and signal analysis procedures are discussed considering the executions of these experiments in two water channel facilities. Presented, discussed and compared results involve: dynamic responses in amplitude and dominant oscillation frequency; instantaneous phase angle between fluid forces and cylinder displacement and phase angle betweens the two cylinders oscillations; and wake dynamics measurements and visualizations employing PIV technique. Cylinders are arranged as follow: single isolated cylinder; tandem pair with upstream one free to oscillate; tandem pair with downstream one free to oscillate; tandem pair with both cylinders free to oscillate. All carefully analyzed arrangements present low-mass parameter and very low damping . Gaps between cylinder centers vary through . Reduced velocity range is comprised in. The isolated cylinder case presented a typical VIV response, with three identified branches (initial, upper and lower). The instantaneous phase angle intermittency phenomenon was observed in transition regions. The 2S and 2P vortex modes were verified by PIV technique. These data showed to be in accordance to other literature measurements and are employed as reference results for comparisons throughout this text. The dynamic response of a cylinder oscillating upstream a fixed one showed a typical VIV behavior. From this can be concluded that the downstream cylinder does not imply any interference phenomenon for analyzed gaps and velocities. On the other hand, major interference effects occur when a downstream cylinder is oscillating in the wake of another fixed one. This configuration, which is the focus of this study, does not show a typical VIV response, since amplitude curves present a crescent branch after the typical synchronization regime. It does not either present a typical galloping excitation response, since the fluid forces are not in phase with the cylinder velocity. Thus, a new suggested name, WIV – Wake-Interference Vibrations, describes the phenomenon responsible for these excitations, which combines: lock-in of shedding frequency from VIV; and asymptotically crescent response from galloping-like excitations. When both cylinders are free to oscillate, the upstream one presents the typical VIV response, while the downstream one passes through three branches with discontinuities, excited by WIV. Finally, it can be concluded that is not convenient to call “galloping excitation” these crescent branches for interference arrangements. It can be understood that the dynamic response is being excited by the interference effects from upstream wake and downstream cylinder vortices. The nomenclature Wake-Interference Vibrations is suggested to be more adequate to the nature of this phenomenon. In addition, PIV visualizations showed to be very important to certify that the formation length decreases while increasing Reynolds number, requiring interference experiments with constant Reynolds numbers. To conclude, some suggestions for future work in this research field are presented.

Le couplage entre un écoulement instable et des résonances acoustiques dans des systèmes de conduites peut conduire à des phénomènes d’oscillations auto-induites. Ce type de phénomènes trouve principalement place dans des conduites latérales fermées, par exemple dans des systèmes de transport ou de compression de gaz. L’objectif de ce travail est d’étudier les oscillations auto-induites dans le cas où le fluide transporté ne se limite pas à un gaz, mais est un mélange de gaz et de liquide. Les pulsations sont mesurées dans des conduites latérales fermées, pour deux types de configurations (en tandem et en croix), avec écoulement d’un mélange variable d’air et d’eau. La position de l’injection d’eau est variable afin d’obtenir plusieurs régimes d’écoulement diphasique. Les résultats indiquent que la présence d’eau a un effet important sur les niveaux de pulsations dans les conduites. Cet effet a pu être attribué à deux mécanismes dus à la présence d’eau : les instabilités de couches de mélange sont modifiées et l’amortissement des ondes acoustiques est amplifié.Le deuxième mécanisme a été quantifié à l’aide de mesures sur un montage expérimental dédié conçu pour avoir un écoulement stratifié. On a observé que, dans tous les cas, la présence d’eau augmente l’amortissement. Cette augmentation a pu être attribuée à la réduction de la section effective de la conduite (due au remplissage partiel par l’eau) et à l’augmentation de la friction turbulente à l’interface entre les phases liquide et gazeuse. / Coupling between flow instabilities and acoustic resonances in ducts with closed side branches leads to Flow Induced Pulsations (FIPs). This is a typical phenomenon in engineering applications (gas transport systems, compressor installations, and chemical plants). The objective of this work is to extend the knowledge about FIPs when the transported medium is not uniquely gas but a combination of gas and (a small quantity of) liquid. For two configurations of double side branches (in tandem and in quasi-cross), the amplitude of pressure pulsations in the side branches was measured for different liquid injection rates. This was repeated with the liquid injection point located at different places to allow different flow regimes at the pipe connections. The results show a strong effect of the water content on the pulsations. On basis of these results and additional measurements, the following hypotheses for the effect of liquid were made: (1) interaction of the liquid with the flow instability and (2) increase of the acoustical damping in the ducts in presence of liquid.The effect of liquid on damping was measured with a dedicated test setup designed to have a stratified flow. It was found that the liquid always increases the acoustical damping, mainly due to the reduction of the effective cross section by the liquid, and because of the increased turbulent friction at the interface between gas and liquid.

The present thesis is concerned with air flow over lightweight footbridge. Special attention is paid to flow-induced instabilities. The thesis opens with a theoretical elaboration on the phenomena related to the research matter. The next part investigates air flow over footbridge in a specific situation using numerical simulation in the Ansys CFX software. Finally, results are discussed in the light of chosen theoretical framework and relevant conclusions are presented.

Flow-induced vibration caused by fully developed pipe flow has been recognized, but not fully investigated under turbulent conditions. This thesis focuses on the development of a numerical Fluid-Structure Interaction (FSI) model that will help define the relationship between pipe wall vibration and the physical characteristics of turbulent flow. Commercial FSI software packages are based on Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) fluid models, which do not compute the instantaneous fluctuations in turbulent flow. This thesis presents an FSI approach based on Large Eddy Simulation (LES) flow models, which do compute the instantaneous fluctuations in turbulent flow. The results based on the LES models indicate that these fluctuations contribute to the pipe vibration. It is shown that there is a near quadratic relationship between the standard deviation of the pressure field on the pipe wall and the flow rate. It is also shown that a strong relationship between pipe vibration and flow rate exists. This research has a direct impact on the geothermal, nuclear, and other fluid transport industries.