Orientador: Prof. Dr. Juan Pablo Julca Ávila / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2016. / Os risers de produção são estruturas tubulares cilíndricas usadas para o escoamento de petróleo e gás desde os poços de petróleo localizados no chão marinho até uma unidade flutuante de produção de petróleo. Quando imersos em correntezas, estas estruturas vibram devido à excitação no topo, ao escoamento interno e ao desprendimento alternado de vórtices à jusante. Este fenômeno é conhecido como Vibração Induzida por Vórtices (VIV). Quando a frequência de emissão dos vórtices se aproxima de uma das frequências naturais do riser, este começa a oscilar tomando controle do processo de emissão de vórtices e, subsequentemente, quando a frequência de emissão de vórtices coincide com a frequência natural do riser, este entra em ressonância. Na última condição, os riser vibram a amplitudes da ordem de 1 a 2 vezes o seu diâmetro e são submetidos a elevadas tensões fletoras cíclicas podendo conduzir à falha prematura por fadiga. Este trabalho de mestrado tem como principal objetivo o desenvolvimento e implementação de uma ferramenta computacional, escrita em FORTRAN, capaz de simular a VIV em risers verticais longos tracionados no topo para águas profundas. Um riser tracionado no topo é modelado como uma viga vertical de Euler-Bernoulli. Um código para análise estática e dinâmica por elementos finitos é desenvolvido. O escoamento tridimensional em torno do riser é substituído por um número de planos de escoamento bidimensional transversais ao eixo do riser. Em cada plano hidrodinâmico, o escoamento é calculado pelo método dos vórtices discretos para fornecer as forças de arrasto e sustentação. As equações de dinâmica estrutural são resolvidas usando as forças hidrodinâmicas calculadas previamente para obter o movimento do vertical riser. A ferramenta computacional desenvolvida foi implementada no cluster de processadores de alto desempenho da UFABC. / Risers are offshore cylindrical tubular structures used for transporting oil and gas from the wells located on the seabed up to a floating offshore production platform at the surface. When they are subjected to seawaters currents, these structures oscillate due to movement at the top, internal flows and alternating vortex shedding in the downstream region of riser. This phenomenon is known as Vortex-Induced Vibration (VIV). When the vortex-shedding frequency is close to one of the riser natural frequencies, it begins to oscillate taking control of vortex-shedding process and thereafter when the vortex-shedding frequency coincides with the natural frequency of the riser, this enters into resonance. At last, risers oscillate with amplitudes of once to twice their diameter and are subjected to high cyclic bending stress which can lead to premature fatigue failure. This work of master's degree has as main aim the development and implementation of a computational tool, written in FORTRAN, capable of simulating VIV in deepwater top tensioned long vertical risers. A top tensioned riser is modeled as a vertical Euler-Bernoulli beam. A code for the static and dynamic analysis by Finite Element Method is developed. The 3D fluid flow around the riser is replaced by a determinated number of 2D cross-sections. In each hydrodynamic cross-section, fluid flow is calculated by the Discrete Vortex Method to obtain drag and lift forces. Dynamics equations are solved using hydrodynamic forces previously calculated to get the dynamics-time response of vertical riser. The developed computational tool was implemented in the UFABC's cluster using High-Performance Computing techniques.

This work took place a procedure for processing the data fluxes measured by a system eddy covariance in an experimental site with representative vegetation of the Pampa biome in conjunction with measures of a meteorological station for the period 2013-11-20 to 2015-09-07. From this set of data was performed an analysis of the seasonality of surface energy fluxes and meteorological variables. The results showed that the application of different methods of corrections for the calculation of energy fluxes produces fluxes with different quality levels in relation to the energy balance closure (EBC). The slope varies up to 20% due to different combinations of corrections applied in the processing of data for calculating the average within a 30 minute interval. The correction options that showed greater sensibility were the time constant and the method of removing the turbulent fluctuations. By the diagnosis EBC has found that the change of IRGA closed path to open path improved to about 12% of the EBC, indicating a deficiency of IRGA closed path. It was also verified that the soil term (flow and storage) increased by ~ 4% EBC, indicating its importance for the natural pasture energy balance. Due to non-closure of the energy balance observed in most studies, and this also, a new method of post-closure of the energy balance was proposed, simple but careful because it is based on the quality of classification of energy fluxes (H and LE). The objective of the method is to generate a corrected series of fluxes, it is important for the calibration and validation surface models. In relation to energy partition, evapotranspiration (ET) was the predominant component, with a Fev = 61% of the available radiation and β = 51%. It varies from ~ 4 mm d-1 in the summer to ~ 1 mm d-1 in winter and is mainly controlled by atmospheric forcing (Rn, DPV, Tar) which determined its seasonal variation. In winter, its reduction was also associated with low photosynthetic activity of the vegetation. The daytime average albedo of natural grasslands of Rio Grande do Sul was 18%, with little seasonal variation. Finally, it is here suggested the inclusion of the procedures carried out in this work for the processing of data from the experimental sites SULFLUX. / Neste trabalho realizou-se um procedimento para o processamento dos dados de fluxos medidos por um sistema de covariância dos vórtices turbulentos em um sítio experimental com vegetação representativa do bioma Pampa, em conjunto com medidas de uma estação meteorológica para o período de 20/11/2013 a 07/09/2015. A partir deste conjunto de dados foi realizada uma análise da sazonalidade dos fluxos superficiais de energia e das variáveis meteorológicas. Os resultados mostraram que a aplicação de diferentes métodos de correções para o cálculo dos fluxos de energia produz fluxos com diferentes níveis de qualidade em relação ao fechamento do balanço de energia (FBE). O coeficiente angular (CA) variou até 20% em razão das diferentes combinações de correções aplicadas no processamento dos dados para o cálculo das médias num intervalo de 30 minutos. As opções de correção que mostraram maior sensibilidade foram a constante de tempo e o método de remoção das flutuações turbulentas. Pelo diagnóstico do FBE constatou-se que a mudança de IRGA caminho fechado para caminho aberto melhorou cerca de 12% o FBE, indicando alguma deficiência do IRGA caminho fechado. Também foi verificado que o termo de solo (fluxo e armazenamento) aumentou ~4% o FBE, indicando sua importância para o balanço de energia de pastagem natural. Em virtude do não fechamento do balanço de energia observado na maioria dos estudos, e neste também, foi proposto um novo método de pós-fechamento do balanço de energia, simples, mas criterioso, pois se baseia na classificação de qualidade dos fluxos de energia (H e LE). O objetivo do método é gerar uma série de fluxos corrigidas, importante para a calibração e validação de modelos de superfície. Em relação à partição da energia, a evapotranspiração (ET) foi a componente predominante, com uma Fev = 61% da radiação disponível e β = 51%. Ela variou de ~4 mm d-1 no verão para ~1 mm d-1 no inverno, sendo controlada principalmente pelas forçantes atmosféricas (Rn, DPV, Tar) que determinaram a sua variação sazonal. No inverno, a sua redução foi associada também a baixa atividade fotossintética da vegetação. O albedo médio diurno da pastagem natural do Rio Grande do Sul foi 18%, com pouca variação sazonal. Por fim, fica sugerido aqui a inserção dos procedimentos realizados neste trabalho para o processamento de dados dos sítios experimentais da SULFLUX.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho abordamos a teoria de Ginzburg-Landau da supercondutividade (teoria GL). Apresentamos suas origens, características e resultados mais importantes. A idéia fundamental desta teoria e descrever a transição de fase que sofrem alguns metais de uma fase normal para uma fase supercondutora. Durante uma transição de fase em supercondutores do tipo II é característico o surgimento de linhas de fluxo magnético em determinadas regiões de tamanho finito chamadas comumente de vórtices. A dinâmica destas estruturas topológicas é de grande interesse na comunidade científica atual e impulsiona incontáveis núcleos de pesquisa na área da supercondutividade. Baseado nisto estudamos como essas estruturas topológicas influenciam em uma transição de fase em um modelo bidimensional conhecido como modelo XY. No modelo XY vemos que os principais responsáveis pela transição de fase são os vórtices (na verdade pares de vórtice-antivórtice). Villain, observando este fato, percebeu que poderia tornar explícita a contribuição desses defeitos topológicos na função de partição do modelo XY realizando uma transformação de dualidade. Este modelo serve como inspiração para a proposta deste trabalho. Apresentamos aqui um modelo baseado em considerações físicas sobre sistemas de matéria condensada e ao mesmo tempo utilizamos um formalismo desenvolvido recentemente na referência [29] que possibilita tornar explícita a contribuição dos defeitos topológicos na ação original proposta em nossa teoria. Após isso analisamos alguns limites clássicos e finalmente realizamos as flutuações quânticas visando obter a expressão completa da função correlação dos vórtices o que pode ser muito útil em teorias de vórtices interagentes (dinâmica de vórtices). / In this work we introduced the Ginzburg-Landau theory of superconductivity (GL theory). We have shown your foundations, features and more important results. The fundamental idea of this theory is to describe the phase transition that some metals undergoes from a normal to a superconductor phase. During a phase transition in superconductors of type II is common the appearance of magnetic flux lines in given regions of finite size called of vortices. The knowledge of the dynamics of these vortices is of great importance in the current cientific community and drives many research centers to study the superconductivity. In view of this we study how these vortices changes a phase transition in a bidimensional model known as XY model.In XY model one can show that the main responsible for the phase transition are the vortices (or still, vortice-antivortice pairs). Villain, noting this fact, realized that could to turn explicit the contribution of theses topological defects in the partition function of XY model making a duality transformation. This model inspired us to study the subject of this master thesis. We presented here a model based in physical considerations about systems of condensed matter. At the same time we used a formalism developed in reference [29] that permits to turn explicit the contribution of these vortices in the original action proposed in our theory. Finally we analysed some classical limits and we looked for the quantum fluctuations to obtain the complete expression of the correlation function of vortices, whose utility is in the study of interacting vortices is wide (vortex dynamics).

Two-component fluids can be miscible (if they overlap in space) or immiscible (if they remain phase-separated). In the context of trapped two-species Bose-Einstein condensates (BECs), these miscibility regions can only be fully characterize if one considers the interspecies interaction, the mass ratio and the number of atoms in each species. The dynamics of coupled vortices is different for each miscibility region and exotic vortices configurations (such as, square vortex lattices, \"vortex sheets\", skyrmions, etc.) are expected to occur. In this thesis, we present the construction of a new experimental system able to produce a two-species Bose-Einstein condensate of 23Na-41K atoms with tunable interspecies interactions and study the dynamics of coupled vortices in the different miscibility regimes. The BEC of sodium atoms obtained first in a Plug trap and later, in a crossed optical dipole trap, is fully characterized as well as the cold atomic cloud of potassium atoms produced by means of a Gray molasses cooling procedure. In the crossed optical dipole trap, the vortices will be nucleated with the use of a stirring beam. Therefore, in the end of this thesis, we present the stirring beam setup and its characterization prior aligning it into the 23Na BEC. / Um sistema de dois fluídos pose ser miscível (se os fluídos ocupam a mesma região do espaço) ou imiscível (se eles permanecem separados). No caso de condesados de Bose-Einstein (do inglês, \"Bose-Einstein condensate\" - BEC) de duas espécies atômicas aprisionados, as regiões de miscibilidade só podem ser completamentamente caracterizadas se considerarmos a interção entre as espécies, a razão entre as massas e o número de átomos em cada uma das espécies. A dinâmica de vórices é diferente para cada região de miscibilidade possibilitando a obtenção de configurações exóticas de vórtices (como, a produção de redes de vórtices quadradas, de folhas de vórtices (do inglês, \"vortex sheets\"), skyrmions, etc.). Nesta tese, apresentamos a construção de um novo sistema experimental capaz de produzir um condensado de Bose-Einstein de duas espécies atômicas, 23Na-41K, com interação variável e estudar a dinâmica de vórtices em diferentes regimes de miscibilidade. O condensado de átomos de sódio, inicialmente obtido na armadilha Plug e depois, em uma armadilha ótica cruzada, é completamentamente caracterizado assim como a nuvem atômica ultra-fria produzida a partir da técnica de molasses cinza (do inglês, \"Gray molasses\"). Na armadilha ótica, os vórtices serão produzidos a partir da utilização de um feixe de laser denominado stirring. Assim, ao final da tese, apresentamos o esquema ótico para a produção deste feixe de laser e a sua caracterização antes de alinhá-lo nos átomos.

Na última década foram descobertas jazidas de petróleo e gás em águas profundas ao longo da costa sudeste do Brasil, o que tem levado à reavaliação de conceitos e técnicas até então utilizados para sua exploração em pequenas profundidades. Parâmetros que anteriormente eram supostamente não críticos passaram a ser relevantes no dimensionamento estrutural dos risers. Efetivamente, a descoberta de novas jazidas na Bacia de Santos incentivou o desenvolvimento de pesquisas nesta área, no Brasil e no mundo. Os depósitos de petróleo e gás encontrados abaixo da camada de sal (daí serem referidas por pré-sal) ocorrem em áreas com lâmina dágua de mais de 2.000 metros, requerendo novas tecnologias para viabilizar sua extração. Os risers de produção nada mais são do que tubulações que levam petróleo e gás do fundo do oceano para a superfície. Nas suas diversas configurações geométricas (vertical, em catenária, lazy wave, entre outros), são elementos estruturais extremamente esbeltos, que devem suportar carregamentos dinâmicos oriundos da correnteza marítima em grande profundidade, ondas de superfície, escoamento interno e deslocamentos impostos, atendendo a exigentes critérios de projeto. O riser vertical será o foco deste trabalho, no qual se pretende utilizar modelos matemáticos com poucos graus de liberdade, denominados modelos de ordem reduzida (MOR), mas com adequada capacidade de representação qualitativa e quantitativa da resposta estrutural, fazendo uso de modos não lineares como funções de projeção, dentro do método de Galerkin não linear. Os modos não lineares, intensivamente estudados no Grupo de Pesquisa Dinâmica, Estabilidade e Controle de Sistemas Estruturais da Escola Politécnica da USP, por conterem intrinsecamente informações de harmônicos de ordem superior, são capazes de, em menor número do que os modos lineares utilizados no método da superposição modal clássico, descreverem acuradamente a resposta do sistema não linear. Serão utilizados procedimentos baseados tanto no método das variedades invariantes, quanto no método das múltiplas escalas, em modelos analíticos. Para a redução de graus de liberdade, será utilizado o método de projeção que se baseia na imposição da igualdade entre os trabalhos virtuais dos modelos de alta e baixa hierarquia (MOR), de sorte que o sistema sob carregamento dinâmico possa ser estudado em espaço de fase de baixa dimensão. A presente pesquisa, além dos desafios acadêmicos inerentes ao tema, apresenta evidente relevância econômica e estratégica para o País. / In the last decade, deposits of oil and gas under deep waters were discovered along the Brazilian Southeast coast, which led to reassessment of concepts and techniques previously used for their exploitation under shallow waters. Parameters that were not previously considered to be critical became relevant in the structural design of the risers. Indeed, the discovery of new deposits in the so-called Santos Basin encouraged the development of research in this area in Brazil and worldwide. The oil and gas deposits found in the pre-salt layer occur in waters deeper than 2,000 meters, requiring new technologies to facilitate their extraction. The risers of production are nothing more than pipes that carry oil and gas from the ocean to the surface. In its various geometric configurations (vertical, catenary, lazy waves, etc.), they are extremely slender structural elements, which must withstand dynamic loads from deep currents, surface waves, internal flow and imposed motions, observing the strict design criteria regarding ultimate and service limit states. The vertical riser will be the focus of this work, which uses mathematical models with few degrees of freedom, known as reduced-order models (ROM), but with adequate capacity to represent the structural response both qualitatively and quantitatively, using non-linear modes as projection functions within the non-linear Galerkin method. The non-linear modes were intensively studied in the research group \"Dynamics, Stability and Control of Structural Systems\" at the Escola Politécnica of USP. Because they contain information of higher-order harmonics, they are able to accurately describe the response of the nonlinear system, using a smaller number of modes than the linear modes used in the classical modal superposition method. Procedures based on the method of invariant manifold and the method of multiple scales alike will be applied to analytical continuum models (with infinite number of degrees of freedom). For the reduction of degrees of freedom, a method based on the identification of the virtual works in both the high-hierarchy and the ROM will be used, so that the system under dynamic loading can be studied in a low-dimension phase space. 13 This research, in addition to academic challenges inherent to the subject has obvious economic and strategic importance for the country.

By collocating 10 years (1999-2009) of remotely sensed surface turbulent heat fluxes with satellite altimetry data, we investigate the impact of ocean mesoscale eddies on the latent and sensible heat fluxes in the South Atlantic ocean. Eddies were identified using the method proposed by Chaigneau et al. (2009), which is based on closed contours of sea level anomaly. Most of the identified eddies had a radius of ~70 km and amplitude of ~5 cm. On average, in the South Atlantic, eddies play a minor role on the ocean-atmosphere heat exchange. However, in strongly energetic regions such as the Brazil-Malvinas confluence or Agulhas Current retroflection regions, eddies can account up to 20-30% of the total variance of the surface turbulent heat fluxes with averaged anomalies of ±10-20 W/m2 for both heat flux components. Cyclonic (anticyclonic) eddies, associated with negative (positive) heat fluxes anomalies tend to cool (warm) the overlying atmosphere. A composite analysis of the turbulent heat fluxes anomalies within the eddies reveals a direct relationship between the eddy amplitude and the intensity of the latent and sensible fluxes anomalies, such that large-amplitude eddies have a stronger signature in the turbulent surface heat fluxes. Heat fluxes anomalies are also much stronger near the eddy centers and decay radially to reach minimum values outside the eddies. / Uma combinação de 10 anos (1999-2009) de fluxos turbulentos de calor pela superfície, medidos a partir de satélites, e dados altimétricos de anomalia da altura da superfície do mar, foram o utilizados com objetivo de investigar o impacto de vórtices de meso-escala nos fluxos de calor sensível e latente na bacia do Atlântico Sul. Para a detecção dos vórtices foi aplicado o método proposto por Chaigneau et al. (2009), que baseia-se em contornos fechados de anomalia da altura da superfície do mar. A maior parte dos vórtices identificados possui raio de ~70 km e amplitude de ~5 cm. Em média, no Atlântico Sul, o impacto dos vórtices para as trocas de calor entre oceano e atmosfera é relativamente fraco. Entretanto, em regiões de alta variabilidade energética como na Confluência Brasil- Malvinas e na retroflecção da Corrente das Agulhas, vórtices de meso-escala podem contribuir com anomalias médias de até ±10-20 W/m2 nos fluxos turbulentos. Vórtices ciclônicos (anti-ciclônicos), associados com anomalias negativas (positivas) de fluxos de calor, tendem a esfriar (esquentar) a atmosfera adjacente. Mapas composite foram analisados para milhares de vórtices, mostrando um relação direta entre a magnitude das anomalias dos fluxos e a amplitude dos vórtices, de tal modo que vórtices de maior amplitude contribuem com maiores anomalias de calor latente e sensível. Além disso, os padrões espaciais dos composites médios revelam que as anomalias são significativamente maiores próximo ao centro dos vórtices e decaem radialmente até atingirem valores absolutos mínimos fora dos contornos dos vórtices.

O fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV) é particularmente danoso para estruturas submarinas como risers de exploração de petróleo. A maneira mais usual de se atenuarem os efeitos de VIV é instalar um supressor, como por exemplo strakes ou fairings. Dentre esses, foi desenvolvido por All Brow Universal Components um supressor chamado Ventilated Trousers (VT), que consiste em uma malha permeável feita de uma rede flexível e dezenas de bobbins. Através de um estudo experimental, procurou-se investigar os mecanismos hidrodinâmicos pelos quais o supressor V T funciona. Foram construídos três modelos diferentes de supressores: um modelo idêntico ao V T e duas malhas dele derivadas, alterando-se a geometria dos bobbins e a distribuição destes ao redor da malha. Foram realizados ensaios com o modelo xo e ensaios de VIV em um grau de liberdade alterando-se o amortecimento estrutural. Foram medidos deslocamento e forças de sustentação e arrasto. Os resultados mostraram que o supressor do tipo V T reduz as amplitudes de vibração, força de sustentação e arrasto quando comparados com um cilindro oscilando. No entanto, aumenta a força de arrasto quando comparado com o cilindro xo. A geometria da malha mostrou-se de grande importância para a supressão de VIV. Modelos que possuem o disco externo no bobbin impedem o surgimento de folga entre o modelo e o cilindro, além de aumentar o amortecimento hidrodinâmico. Três hipóteses foram levantadas para explicar o funcionamento do supressor V T. A primeira diz que a supressão é provocada pelo aumento do amortecimento hidrodinâmico. Os ensaios mostraram que, de fato, o supressor V T aumenta o amortecimento e, consequentemente, diminui as VIV. No entanto, somente esse efeito não explica toda a supressão obtida. As outras hipóteses, relacionadas à alterações bi e tridimensionais da esteira, foram avaliadas, porém não se pode afirmar que alguma delas seja isoladamente responsável por produzir o mecanismo hidrodinâmico de supressão. / The phenomenon of vortex-induced vibration (VIV) is particularly harmful to submarine structures such as risers used for oil extraction. The most usual way to attenuate the effects of VIV is the installation of suppressors, like strakes or fairings. Among them, All Brow Universal Components developed a VIV suppressor called Ventilated Trousers (VT), which consist of a permeable mesh made of a flexible net and tens of bobbins. Three different models of suppressors based on permeable meshes have been assembled with the objective to understand the hydrodynamic mechanism behind the suppression: one model identical to the VT and two meshes with different bobbin geometries and distribution. Tests were carried out with xed models and models free to oscillate in one degree of freedom varying the structural damping. Displacements, drag and lift forces were measured. Results showed that the VT suppressor reduced vibration amplitudes, lift and drag forces when compared to an oscillating circular cylinder. However, it increased drag force when compared to a fixed circular cylinder. The mesh geometry proved to be important to VIV suppression. Models that had an external disc on the bobbins avoided the appearance of a gap between the model and the cylinder. Three hypotheses were formulated to explain how the VT suppressor works. The first one says that the increase on hydrodynamic damping is responsible for suppression. In fact, tests showed that the VT increased hydrodynamic damping and, consequently, reduced the VIV response. However, this effect alone does not explain the suppression as a whole. The other two hypotheses related to two-dimensional and three-dimensional wake changes were evaluated, but it cannot be stated that any of them, on its own, is responsible for the whole of the suppression mechanism.

The offshore oil industry is engaged in the development of new floating platforms, such as Spar, semi-submersible, tension-leg, FPSO and monocolumn for the exploration of deep and ultra-deep waters. Some of these floating systems have circular cross sections (or cross sections of other bluff geometries) being susceptible to vortex-induced vibrations (VIV). Vortex shedding behind a bluff body can be altered, suppressed or controlled over a limited range of Reynolds numbers. Various flow-control techniques, which result in the reduction of drag and unsteady forces, have been suggested and tested in simple geometries. One such method is the moving-surface boundary layer control (MSBC), in which smaller control rotating cylinders are placed close to the bluff body. This method is considered as an inspiration for the present experimental investigation of VIV suppression for omni-directional flows. In this context, three different configurations have been assembled to compare the effect of suppression on a plain cylinder surrounded by two, four and eight control cylinders distributed symmetrically around it. Experiments were carried out with static models and models free to oscillate in one-degree-of-freedom with fixed and rotating control cylinders. Experiments with a plain cylinder were performed to serve as reference. Displacements, drag and lift forces were measured. The position of the control cylinders proved to be an important parameter to VIV suppression. Configurations with two control cylinders increased lift and drag forces. In contrast, configurations of four and eight control cylinders showed to be more effective to suppress VIV. Furthermore the results for all the cases of the configuration of eight fixed control cylinders presented a reduction of displacement amplitude, lift and drag forces when compared to a plain cylinder. However, when the control cylinders were actuated, the two cases with rotating control cylinders increased drag force when compared to fixed control cylinders. / A indústria offshore está envolvida no desenvolvimento de novas plataformas flutuantes como Spar, semi-submersível, TLP, FPSO e monocoluna para a exploração de águas profundas e ultra-profundas. Alguns destes sistemas flutuantes têm seções transversais circulares (ou de outras seções rombudas) sendo susceptíveis à vibrações induzidas por vórtices (VIV). A esteira de vórtices desprendida de um corpo rombudo pode ser alterada ou suprimida ao longo de uma faixa de número de Reynolds. Várias técnicas de controle do escoamento foram sugeridas e testadas em geometrias simples, resultando na redução de forças de sustentação e arrasto. Um desses métodos é o controle de camada limite por superfícies móveis (CCLSM), no qual cilindrinhos rotativos de controle são colocados próximos ao corpo rombudo. Neste trabalho, este método foi abordado através de uma investigação experimental como um supressor de VIV para o escoamento omnidirecional. Neste escopo três diferentes configurações foram montadas para comparar o efeito de supressão sobre um cilindro liso rodeado por dois, quatro e oito cilindros de controle, distribuídos simetricamente em torno dele. Foram realizados ensaios com o modelo estático, ensaios de VIV em um grau de liberdade com cilindros de controle fixos e rotativos. Foram medidos deslocamento e forças de sustentação e arrasto. Os resultados mostraram que a posição dos cilindros de controle é um parâmetro importante para a supressão de VIV. A configuração com dois cilindros de controle aumentou as forças de sustentação e arrasto. Diferentemente, as configurações de quatro e oito cilindros de controle mostraram-se mais eficazes para suprimir VIV. Além disso, todos os casos da configuração de oito cilindros de controle fixos apresentaram redução nas amplitudes de vibração e nas forças de sustentação e arrasto, quando comparados com um cilindro liso. No entanto, quando os cilindros de controle foram acionados para rotacionar, mostrou-se um aumento na força de arrasto em relação aos cilindros de controle fixos.

O escoamento ao redor de cilindros inclinados, ou escoamento oblíquo, é um problema bastante comum em diversas áreas da engenharia. Embora o escoamento ao redor de um cilindro não inclinado consista em um tópico clássico e bastante estudado no contexto da mecânica dos fluídos, os estudos investigativos do escoamento oblíquo existem em menor número. O procedimento mais adotado para o estudo do escoamento ao redor de um cilindro inclinado é o Princípio da Independência, que atesta que todas as características da esteira dependem unicamente da componente da correnteza incidente que é ortogonal ao eixo do cilindro. Visando um melhor entendimento do escoamento ao redor de cilindros rígidos e inclinados, três grupos de experimentos foram conduzidos com cilindros inclinados tanto à montante como à jusante. Cinco ângulos de inclinação, definidos entre o eixo do cilindro e a direção ortogonal à da correnteza foram ensaiados, a saber: teta = 0°, 10°, 20°, 30° e 45°. No primeiro grupo de experimentos, os resultados obtidos com os cilindros estacionários inclinados à montante mostraram que o coeficiente de arrasto médio concorda com os resultados da configuração de referência, desde que a componente da correnteza incidente ortogonal ao eixo do cilindro seja utilizada na normalização da força. No tocante aos experimentos dos cilindros sujeitos ao fenômeno de vibrações induzidas pela emissão de vórtices com um ou dois graus de liberdade, existe um decréscimo da amplitude de oscilação dos cilindros com o aumento do ângulo de inclinação. Em todas as campanhas experimentais, foram verificadas diferenças entre os resultados obtidos com os cilindros inclinados à montante ou à jusante. Essa diferença é tão maior quanto maior for o ângulo de inclinação, e está associada à assimetria nas condições de extremidade do cilindro. / The flow around yawed cylinders, or oblique flow, is a common subject in several engineering applications. Despite the flow around a non-yawed cylinder consists on a classical and extensively investigated problem, there is a considerable lower number of investigation concerning the oblique flow. The most employed approach aiming at investigating the oblique flow is the so called Independence Principle, which states that the flow characteristics depend only on the component of the free-stream that is normal to the cylinder axis. Three groups of experiments were carried out aiming at a better understanding of the flow around yawed cylinders. Five yaw angles defined between the cylinder axis and the direction orthogonal to the free-steam were tested, namely: theta = 0°, 10°, 20°, 30° e 45°. From the first group of experiments, the results obtained with stationary cylinders yawed in the upstream orientation shown that the mean drag coeficient matches the classical results from the non-yawed cylinder, if the component of the free-stream that is orthogonal to the cylinder axis is employed in the normalization of the hydrodynamic force. Concerning vortex-induced vibrations experiments with one and two degrees-of-freedom, a decrease was observed in the maximum oscillation amplitude. For all the experiments, it was observed that the results obtained from the upstream orientation tests can be different from those obtained for the downstream orientation ones. The larger the yaw angle, the larger are the differences, which are associated to the asymmetric end conditions.

Orientadores: Flavio Garcia, Eduardo Granado Monteiro da Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-10T05:04:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Soares_MarcioMedeiros_M.pdf: 20040711 bytes, checksum: 307f0dbee3ef2d92b25427c28d39c7d6 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Neste trabalho fizemos um estudo sistemático de filmes compostos por multicamadas Co/Pd depositados sobre arranjos auto-organizados de esferas de látex submicrométricas (50 ¿ 1000 nm). O filme depositado sobre a esfera (não-magnética) forma uma calota magnética com espessura variável. As espessuras de Co e Pd foram escolhidas de modo a obter duas classes de multicamadas, uma com anisotropia intrínseca perpendicular e outra com anisotropia intrínseca planar, quando depositadas sobre um substrato plano. Os arranjos de calotas com anisotropia intrínseca perpendicular que produzimos têm um comportamento magnético que reproduz resultados publicados recentemente na literatura. Para os sistemas com anisotropia intrínseca planar a microestrutura magnética é profundamente dependente da forma tridimensional da calota, assim como do seu tamanho. A investigação destas calotas envolveu caracterizações magnéticas por efeito Hall extraordinário, efeito Kerr magneto-ótico e SQUID, análise estrutural por microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e sondagem da configuração da magnetização por microscopia de força magnética (MFM). Para esferas menores (diâmetros de 50 e 100 nm), as imagens de TEM mostram que as calotas segmentam-se em nanopilares orientados radialmente. Em concordância com as caracterizações magnéticas, propomos que a segmentação em pilares induz uma anisotropia efetiva radial nessas calotas menores. Nas calotas maiores (500 e 1000 nm) estudamos a influência do gradiente de espessura, medido por TEM, sobre a anisotropia efetiva ao longo da esfera. Nestas calotas as multicamadas são contínuas e, correlacionando caracterizações magnéticas, imagens de TEM, medidas de MFM e simulações micromagnéticas, chegamos à conclusão de que a magnetização forma um vórtice em seu topo, influenciada pela forma tridimensional da calota. O núcleo dos vórtices que observamos é razoavelmente maior do que aqueles mostrados na literatura para vórtices em discos, indicando que tal sistema de calotas pode ser promissor para aplicações em mídias de gravação magnética / Abstract: In this work we have performed a systematic study on Co/Pd multilayers deposited over self-assembled polystyrene nanospheres (with diameter ranging from 50 to 1000 nm). The film deposited over the nonmagnetic nanosphere forms a magnetic cap with variable thickness. The Co and Pd layer thicknesses were chosen in order to obtain two classes of multilayers, one exhibiting intrinsic in-plane anisotropy and the other exhibiting intrinsic out-of-plane anisotropy, when deposited on flat substrates. The magnetic behavior of the caps¿ arrays with intrinsic out-of-plane anisotropy which we have produced agrees with results recently reported in the literature. The magnetic microstructure of the systems with intrinsic in-plane anisotropy is mainly influenced by three-dimensional shape and size of the caps. The study of those caps included magnetic characterization by Extraordinary Hall Effect, Magneto-Optic Kerr Effect and SQUID, structural analysis by Transmission Electron Microscopy (TEM) and magnetic configuration probing by Magnetic Force Microscopy (MFM). For the smallest spheres (50 and 100 nm in diameter) TEM images show that the cap is segmented into radial nanopillar like structures. Agreeing with our magnetic measurements, we propose that this segmentation induces an effective radial anisotropy in the smallest caps. For the largest caps (500 and 1000 nm in diameter) we have studied the influence of the thickness gradient (probed by TEM) on the effective anisotropy along de cap. In those caps the multilayers are continuous and, correlating magnetic characterizations, TEM images, MFM profiles and micromagnetic simulations, we concluded that the magnetization forms a curling structure in the top of the caps. The so formed magnetic vortex is strongly influenced by the cap¿s shape. We observed that the magnetic vortex core is considerably larger than the ones shown in the literature for vortex in planar discs, indicating that this cap system may be promising for applications in magnetic recording medias / Mestrado / Materiais Magneticos e Propriedades Magneticas / Mestre em Física