Assim como um peixe pode aproveitar a energia dos vórtices formados por uma rocha em uma corredeira para economizar energia e produzir impulso, este trabalho tem por objetivo mostrar que os vórtices de von Kármán ou esteira de vórtices, desprendidos de um corpo cilíndrico colocado em um escoamento contínuo, com uma placa de um determinado comprimento, posicionada atrás desse corpo cilíndrico e com movimentos livres na horizontal, pode vibrar e produzir movimentos rotacionais, e por fim, uma frequência, com o objetivo de se aproveitar esse movimento para geração de energia. Para tanto, utilizou-se software CFD (Computational Fluid Dynamic), para observar e quantificar os movimentos produzidos pela placa. Observou-se também, entre três comprimentos de placa, com três velocidades diferentes, três números de Reynolds diferentes e com escoamentos laminar e turbulento, como as placas se comportam e qual delas produz movimento com maior frequência. Buscou-se também verificar a eficiência do movimento para números de Strouhal menores e iguais a 0,21. / Just as a fish can harness the energy of the vortices formed by a rock in the rapids to save energy and produce impulse this paper aims to show that the von Kármán vortex or wake vortex, detached from a cylindrical body placed in a flow continuous with a plate of a certain length, positioned behind this cylindrical body and freely moving horizontally, may vibrate and produce rotational movements, and finally, a frequency, in order to take advantage of this movement to generate power. Therefore, we used CFD software (Computational Fluid Dynamic), to observe and quantify the movements produced by the board. It was also observed between three plate lengths with three different velocities, three different Reynolds numbers and laminar and turbulent flow as the plates behave and which one produces motion with higher frequency. It sought to verify the efficiency of movement to lower Strouhal numbers and equal to 0.21.

Assim como um peixe pode aproveitar a energia dos vórtices formados por uma rocha em uma corredeira para economizar energia e produzir impulso, este trabalho tem por objetivo mostrar que os vórtices de von Kármán ou esteira de vórtices, desprendidos de um corpo cilíndrico colocado em um escoamento contínuo, com uma placa de um determinado comprimento, posicionada atrás desse corpo cilíndrico e com movimentos livres na horizontal, pode vibrar e produzir movimentos rotacionais, e por fim, uma frequência, com o objetivo de se aproveitar esse movimento para geração de energia. Para tanto, utilizou-se software CFD (Computational Fluid Dynamic), para observar e quantificar os movimentos produzidos pela placa. Observou-se também, entre três comprimentos de placa, com três velocidades diferentes, três números de Reynolds diferentes e com escoamentos laminar e turbulento, como as placas se comportam e qual delas produz movimento com maior frequência. Buscou-se também verificar a eficiência do movimento para números de Strouhal menores e iguais a 0,21. / Just as a fish can harness the energy of the vortices formed by a rock in the rapids to save energy and produce impulse this paper aims to show that the von Kármán vortex or wake vortex, detached from a cylindrical body placed in a flow continuous with a plate of a certain length, positioned behind this cylindrical body and freely moving horizontally, may vibrate and produce rotational movements, and finally, a frequency, in order to take advantage of this movement to generate power. Therefore, we used CFD software (Computational Fluid Dynamic), to observe and quantify the movements produced by the board. It was also observed between three plate lengths with three different velocities, three different Reynolds numbers and laminar and turbulent flow as the plates behave and which one produces motion with higher frequency. It sought to verify the efficiency of movement to lower Strouhal numbers and equal to 0.21.

O problema das vibrações induzidas por vórtices em cilindros flexíveis inclinados em relação ao perfil de correnteza incidente é estudado através de uma abordagem experimental. Este tema se mostra de grande importância e aplicação na Engenharia Naval e Oceânica uma vez que são diversas as estruturas que se encaixam nesta descrição, como são o casos dos risers e linhas de amarração. Apesar de extensa, a literatura técnica especializada no assunto é focada em simplificações, tais como os estudos de cilindros rígidos fixos, cilindros rígidos montados em base elástica e cilindros flexíveis verticais ou lançados em catenária livre. A questão da inclinação é abordada em termos do Principio da Independência que diz que as forças e a frequência de emissão de vórtices em um cilindro inclinado são iguais as de um cilindro vertical se considerada apenas a parcela da correnteza normal à direção de inclinação. Estudos anteriores mostraram que este princípio é válido somente em algumas condições específicas e poucos deles apresentam resultados para cilindros flexíveis. Com base nisso, um ensaio em escala reduzida em tanque de reboque foi realizado com um modelo de linha composto por um tubo de silicone preenchido com microesferas de aço e condições de contorno articuladas em suas extremidades, o que conferiu características inerciais e geométricas ideais para a obtenção do fenômeno. Além da configuração vertical (? = 0°), que é o caso de referência, o modelo foi estudado em outras quatro inclinações com a vertical: ? = 10°, 20°, 30° e 45°. Estas inclinações foram ensaiadas para cinco diferentes azimute: ? = 0°, 45°, 90°, 135° e 180°, resultando em vinte e uma configurações de inclinação. Os resultados são analisados em termos da decomposição modal da vibração da linha, ou seja, são apresentadas amplitudes e frequências de oscilação ocorridas em cada um dos modos de vibrar. Além disso são realizadas análises espectrais, gráficos de evolução espaço-temporal, trajetórias de pontos ao longo do modelo flexível, entre outros. Frequências naturais, coeficientes de amortecimento e trações no topo são apresentados, complementarmente, como resultados de caracterização do modelo. Os estudos apontaram para uma validade do PI com algumas ressalvas, principalmente influenciadas pela diferença nas frequências do primeiro e segundo modo que é crescente com o aumento da inclinação. Além disso conclusões importantes sobre a coexistência modal, em regiões de ressonância e/ou de transição da dominância modal, foram obtidas. / The vortex-induced vibration problem in flexible cylinders yawed in relation to the incident current profile is studied through an experimental approach. This topic has great importance and application on Naval and Oceanic Engineering once there are multiple structures that fit into this description, such as risers and mooring lines. Though extensive, technical literature specialized on this topic is focused on simplifications such as the study of fixed rigid cylinders, elastic base rigid cylinders and flexible cylinders assembled vertically or launched in free hanging catenary. The inclination issue is addressed in the terms of the Principle of Independence which states that the forces and frequency shedding in an inclined cylinder are equal to those of a vertical cylinder if only considered the current component normal to the inclination plane. Previous studies showed that this principle is valid only on some specific conditions and few of them showed results to flexible systems. Based on this, a scaled tow tank test was performed with a line model composed of a silicone tube filled with steel microspheres and articulated end conditions, which offered the ideal inertial and geometrical conditions to obtaining the phenomenon. Besides the vertical configuration (? = 0°), which is the reference case, the model was studied in other four inclinations with the vertical: ? = 10°,20°, 30° and 45°. These inclinations were tested for five different azimuth directions: ? = 0°, 45°, 90°, 135° and 180°, resulting in 21 configurations. The results are analyzed on terms of the modal decomposition of the line motions, that is, amplitudes and oscillation frequencies are presented for each one of the vibration modes. Furthermore other analyzes are made, as spectral graphs, spatio-temporal evolution graphs, line points trajectories, among others. Natural frequencies, damping coefficients and tensions at the top are presented, complementarly, as results of the model characterization. The studies pointed to a validity of the IP with some reservations, mainly influenced by the difference in of the first and second mode frequencies that is increasing with the yaw increase. In addition, important conclusions about modal coexistence in regions of resonance and / or transition of modal dominance were obtained.

Submitted by maria angelica Varella (angelica@sibi.ufrj.br) on 2018-02-19T18:32:02Z No. of bitstreams: 1 154555.pdf: 1885807 bytes, checksum: 844e1b5833636b9a313b678e025bf715 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-02-19T18:32:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 154555.pdf: 1885807 bytes, checksum: 844e1b5833636b9a313b678e025bf715 (MD5) Previous issue date: 1980-12 / Apresenta um estudo sobre “risers” de perfuração usados por plataformas semi-submersiveis na perfuração de poços em águas profundas. Inicialmente, e apresentado um estudo acerca do equilíbrio estático. Isto permite dimensionar “risers” para condições normais de operação. O dimensionamento considera o tracionamento do “riser”, as condições naturais e os parâmetros de perfuração pertinentes. A seguir, e apresentado um breve estudo sobre vibrações livres. Finalmente, é feita a análise de vibrações transversais induzidas por vórtices, o que pode ocorrer em regiões de fortes correntezas. O modelo matemático foi postulado por Skop e Griffin e sua solução foi feita pelo método da forma normal. O método proposto permite a construção da resposta em frequência do “riser” próximo a uma condição de ressonância. / Presents a study about drilling risers used by semisubmersible platforms in order to drill wells in deep waters. Firstly, a study about static equilibrium is presented. This allows to select adequate risers for places with usual natural conditions. The selection takes into account the riser tension, the natural ·conditions and the pertinent drilling parameters. Then, a brief study about free vibrations is presented. Finally, the analysis of transverse vibrations induced by vortex-shedding is dane. These vibrations can occur in places of strong marine currents. The mathematical model was postulated by Skop and Griffin and its solution was dane by the normal form method. The proposed method allows the construction of the riser frequency response near a resonance condition.

O problema das vibrações induzidas por vórtices em cilindros flexíveis inclinados em relação ao perfil de correnteza incidente é estudado através de uma abordagem experimental. Este tema se mostra de grande importância e aplicação na Engenharia Naval e Oceânica uma vez que são diversas as estruturas que se encaixam nesta descrição, como são o casos dos risers e linhas de amarração. Apesar de extensa, a literatura técnica especializada no assunto é focada em simplificações, tais como os estudos de cilindros rígidos fixos, cilindros rígidos montados em base elástica e cilindros flexíveis verticais ou lançados em catenária livre. A questão da inclinação é abordada em termos do Principio da Independência que diz que as forças e a frequência de emissão de vórtices em um cilindro inclinado são iguais as de um cilindro vertical se considerada apenas a parcela da correnteza normal à direção de inclinação. Estudos anteriores mostraram que este princípio é válido somente em algumas condições específicas e poucos deles apresentam resultados para cilindros flexíveis. Com base nisso, um ensaio em escala reduzida em tanque de reboque foi realizado com um modelo de linha composto por um tubo de silicone preenchido com microesferas de aço e condições de contorno articuladas em suas extremidades, o que conferiu características inerciais e geométricas ideais para a obtenção do fenômeno. Além da configuração vertical (? = 0°), que é o caso de referência, o modelo foi estudado em outras quatro inclinações com a vertical: ? = 10°, 20°, 30° e 45°. Estas inclinações foram ensaiadas para cinco diferentes azimute: ? = 0°, 45°, 90°, 135° e 180°, resultando em vinte e uma configurações de inclinação. Os resultados são analisados em termos da decomposição modal da vibração da linha, ou seja, são apresentadas amplitudes e frequências de oscilação ocorridas em cada um dos modos de vibrar. Além disso são realizadas análises espectrais, gráficos de evolução espaço-temporal, trajetórias de pontos ao longo do modelo flexível, entre outros. Frequências naturais, coeficientes de amortecimento e trações no topo são apresentados, complementarmente, como resultados de caracterização do modelo. Os estudos apontaram para uma validade do PI com algumas ressalvas, principalmente influenciadas pela diferença nas frequências do primeiro e segundo modo que é crescente com o aumento da inclinação. Além disso conclusões importantes sobre a coexistência modal, em regiões de ressonância e/ou de transição da dominância modal, foram obtidas. / The vortex-induced vibration problem in flexible cylinders yawed in relation to the incident current profile is studied through an experimental approach. This topic has great importance and application on Naval and Oceanic Engineering once there are multiple structures that fit into this description, such as risers and mooring lines. Though extensive, technical literature specialized on this topic is focused on simplifications such as the study of fixed rigid cylinders, elastic base rigid cylinders and flexible cylinders assembled vertically or launched in free hanging catenary. The inclination issue is addressed in the terms of the Principle of Independence which states that the forces and frequency shedding in an inclined cylinder are equal to those of a vertical cylinder if only considered the current component normal to the inclination plane. Previous studies showed that this principle is valid only on some specific conditions and few of them showed results to flexible systems. Based on this, a scaled tow tank test was performed with a line model composed of a silicone tube filled with steel microspheres and articulated end conditions, which offered the ideal inertial and geometrical conditions to obtaining the phenomenon. Besides the vertical configuration (? = 0°), which is the reference case, the model was studied in other four inclinations with the vertical: ? = 10°,20°, 30° and 45°. These inclinations were tested for five different azimuth directions: ? = 0°, 45°, 90°, 135° and 180°, resulting in 21 configurations. The results are analyzed on terms of the modal decomposition of the line motions, that is, amplitudes and oscillation frequencies are presented for each one of the vibration modes. Furthermore other analyzes are made, as spectral graphs, spatio-temporal evolution graphs, line points trajectories, among others. Natural frequencies, damping coefficients and tensions at the top are presented, complementarly, as results of the model characterization. The studies pointed to a validity of the IP with some reservations, mainly influenced by the difference in of the first and second mode frequencies that is increasing with the yaw increase. In addition, important conclusions about modal coexistence in regions of resonance and / or transition of modal dominance were obtained.

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.

O fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV) é um problema fundamental dentro da Mecânica dos Fluidos e um exemplo importante de interação fluido-estrutura. Esta tese investiga fenômeno de VIV quando um cilindro rígido, submetido a escoamento uniforme, está livre para oscilar na direção transversal e alinhada com a corrente incidente. A tese foi estruturada ao redor de sete perguntas relacionadas ao fenômeno de VIV: 1) O fenômeno e os resultados experimentais são repetitivos? 2) Como ocorre a transição entre ramos de resposta? 3) Qual é o papel da inércia da estrutura oscilante? 4) Qual é o papel de sua rigidez? 5) Quais são as frequências naturais mais importantes da estrutura? 6) Quais padrões de esteira se desenvolvem para VIV com dois graus de liberdade? 7) Quais são os efeitos do movimento na direção alinhada com a corrente no processo de formação e desprendimento de vórtices? O fenômeno de VIV é estudado de maneira experimental em uma base elástica pendular capaz de oscilar com o mesmo momento de inércia e frequência natural nas duas direções. Os experimentos de VIV foram realizados em canal de água recirculante e com diferentes condições de inércia e rigidez. A técnica de velocimetria por imagem de partículas foi usada e permitiu identificar diferentes padrões de esteira de vórtices. Verificou-se que o VIV é repetitivo a nível de amplitudes médias e frequências dominantes. A transição dos ramos pode ocorrer de maneira intermitente ou com histerese. Os parâmetros de inércia e rigidez da estrutura são capazes de mudar o regime de oscilação e, para algumas condições, suprimir as vibrações alinhadas com a corrente. Dentre os padrões de esteira observados, um deles não havia sido relatado na literatura e é definido nesta tese. O novo modo de emissão apresenta dois vórtices com circulação oposta e elevada intensidade emitidos por ciclo. A influência da direção alinhada com o escoamento está relacionada a dois efeitos: a velocidade relativa entre o cilindro e o fluido, responsável pelo aumento da circulação dos vórtices na esteira, e o ângulo de fase do movimento nas direções alinhada e transversal, capaz de mudar o processo de formação dos vórtices. / Vortex-induced vibration (VIV) phenomenon is a fundamental problem of Fluid Mechanics and a typical example of fluid-structure interaction. This thesis explores the VIV phenomenon for a rigid circular cylinder immersed in a uniform fluid current. The cylinder is free to oscillate in two degrees of freedom (2dof): in-line and cross flow. The thesis was structured in order to answer seven questions regarding VIV: 1) Are the phenomenon and its experimental results repetitive? 2) How do the branches transition occur? 3) What is the role played by the inertia of the oscillating structure? 4) What is the role of its stiffness? 5) Which are the most relevant natural frequencies of the structure? 6) Which are the vortex wake patterns developed in VIV 2dof? 7) What are the influences of the in-line movement to the process of vortex formation and shedding? The phenomenon is experimentally investigated using an elastic base similar to a pendulum and able to oscillate with the same moment of inertia and natural frequencies in both directions. All the experiments were conducted in a recirculating water channel facility and with several combinations of moment of inertia and stiffness of the structure. Particle image velocimetry provided visualization of different vortex wake patterns. The phenomenon is repetitive in terms of its mean amplitudes and dominant frequencies. The transitions between dfferent branches can be hysteretic or intermittent. It is shown that both the moment of inertia and the stiffness of the structure are able to change the regime of oscillations and, for some cases, suppress the in-line movement. Among the different vortex wake patterns observed, one has not been reported previously in the literature. The new wake pattern shows two large vortices with high and opposite circulations shed per cycle. The influence of the displacement in the current direction is related to two different effects: the relative velocity between the incoming flow and the structure motion, responsible for the increase in the net circulation shed in the vortex wake, and the influence of the phase angle between the displacement in the in-line and cross-flow directions, capable of changing the vortex formation process.

Uma base elástica para ensaios seccionais de pontes foi projetada a partir de mancais aerostáticos. Um sistema de dois graus de liberdade foi construído, de forma a possibilitar estudos de flutter, de galloping e de vibrações induzidas por vórtices em túneis de vento. A base mostrou-se bastante versátil, permitindo diversas configurações além da inicialmente prevista, o que possibilita a realização de estudos envolvendo diferentes fenômenos aeroelásticos nos mais variados modelos. Foram realizados ensaios para a caracterização de galloping em um prisma de seção quadrada e de flutter em um fólio NACA 0020. Os resultados de galloping obtidos, considerando o escoamento incidente perpendicular a uma das faces do prisma, foram condizentes com os encontrados na literatura. Por outro lado, as derivadas de flutter obtidas nos ensaios com o fólio não foram aquelas esperadas. Ensaios complementares deverão ser realizados no futuro com o objetivo de determinar as fontes das discrepâncias observadas. / A new elastic suspension system using air bearings for heaving and pitching motions was designed to test section models of suspended bridges in wind tunnels. The two-degrees-of-freedom system and its versatility makes possible the study of many aeroelastic phenomena, such as galloping, vortex-induced vibrations, buffeting and flutter. Moreover, as a modular system is proposed, degrees of freedom can be easily removed or added as desired. Therefore, it can be used to study not only bridge aeroelasticity, but also fluid-structure interaction of other geometries. In order to verify the suspension system, galloping tests, using a square cylinder, and flutter tests, using a foil NACA 0020, were done at IPT\'s wind tunnel facility. The galloping response obtained for the square cylinder was consistent with the literature. On the other hand, the flutter derivatives obtained for the foil differ from those expected. Therefore, other investigations must be done in the future in order to identify the sources of the discrepancies observed.

O presente trabalho vem propor um estudo numérico qualitativo de um modelo hidro-elástico para simulação das vibrações induzidas por vórtices (VIV) em cabos submersos. O modelo é composto de um sistema acoplado de equações que descrevem tanto a estrutura quanto o fluido. A estrutura é modelada através de um oscilador elástico clássico e discretizada através de um método de massas concentradas. O fluido é considerado através de osciladores discretos baseados em modelos fenomenológicos com equação de Van der Pol ou Ginzburg-Landau. O acoplamento entre os dois ocorre na direção transversal ao escoamento local através da força de sustentação. O estudo foi feito para verificar quais tipos de comportamentos de resposta podem ser obtidos através do uso dos modelos fenomenológicos e, também, avaliar o potencial de tais modelos no ciclo de projeto na indústria atual, com foco na indústria petrolífera. Esta adequabilidade ao uso em projeto leva em conta, em primeiro lugar, a qualidade das respostas, mas também leva em conta a viabilidade da execução de simulações numéricas em tempo apropriado. Assim, um modelo numérico foi desenvolvido para permitir a integração, no domínio do tempo, deste sistema hidro- elástico. Esta integração é feita através de um método explícito de Euler e permite tratar não-linearidades dos osciladores elástico e fluido. Um conjunto de situações foi simulado numericamente, incluindo configurações verticais e também configurações em catenária. As simulações indicam alto grau de acoplamento entre os osciladores, o que leva a ressonância entre ambos na maior parte dos casos. Com relação ao comportamento do oscilador estrutural em si, foi possível observar fenômenos interessantes tais como lock-in e travelling waves, além do terceiro harmônico da vibração transversal detectado em alguns experimentos reportados em literatura. Com relação à adequabilidade do uso do modelo em projeto, considera-se que isto seja possível dada a relativa rapidez das simulações e aos resultados promissores que ainda podem ser melhorados. / The present work proposes a qualitative numerical study of a hydro-elastic model in order to simulate vortex-induced vibrations in submerged cables. The model is composed of a coupled system of equations describing the structure and the fluid. The structure is modeled through a classical elastic oscillator and discretized using a lumped mass approach. The fluid is modeled through discrete oscillators based on phenomenological models using Van der Pol or Ginzburg- Landau type equations. The coupling between these two oscillators is carried by the lift force. The study was carried in order to verify which response behavior can be obtained by using such phenomenological models and also, to evaluate their potential to be used in the offshore industry. In order to accomplish that, the model must provide reliable answers and must allow fast responses when it comes to simulation time. In this sense, a numerical model was developed to allow the time domain integration of this hydro-elastic model. The numerical integration is performed by a simple explicit Euler algorithm and allows dealing with non-linearities of both oscillators, elastic and fluid. A set of conditions was numerically simulated, including top tensioned risers and catenary. Simulations indicate a high level of coupling between the two oscillators and thus resonance is achieved in most part of the cases. With respect to the structural oscillator analysis, it was possible to observe interesting phenomena such as lock-in, travelling waves and also the third harmonic observed in some experiments and reported in the literature. Regarding the feasibility of the model usage in the daily offshore industry life, it seems possible once the model generally runs fast and some promising results were achieved.

O fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV) é um problema fundamental dentro da Mecânica dos Fluidos e um exemplo importante de interação fluido-estrutura. Esta tese investiga fenômeno de VIV quando um cilindro rígido, submetido a escoamento uniforme, está livre para oscilar na direção transversal e alinhada com a corrente incidente. A tese foi estruturada ao redor de sete perguntas relacionadas ao fenômeno de VIV: 1) O fenômeno e os resultados experimentais são repetitivos? 2) Como ocorre a transição entre ramos de resposta? 3) Qual é o papel da inércia da estrutura oscilante? 4) Qual é o papel de sua rigidez? 5) Quais são as frequências naturais mais importantes da estrutura? 6) Quais padrões de esteira se desenvolvem para VIV com dois graus de liberdade? 7) Quais são os efeitos do movimento na direção alinhada com a corrente no processo de formação e desprendimento de vórtices? O fenômeno de VIV é estudado de maneira experimental em uma base elástica pendular capaz de oscilar com o mesmo momento de inércia e frequência natural nas duas direções. Os experimentos de VIV foram realizados em canal de água recirculante e com diferentes condições de inércia e rigidez. A técnica de velocimetria por imagem de partículas foi usada e permitiu identificar diferentes padrões de esteira de vórtices. Verificou-se que o VIV é repetitivo a nível de amplitudes médias e frequências dominantes. A transição dos ramos pode ocorrer de maneira intermitente ou com histerese. Os parâmetros de inércia e rigidez da estrutura são capazes de mudar o regime de oscilação e, para algumas condições, suprimir as vibrações alinhadas com a corrente. Dentre os padrões de esteira observados, um deles não havia sido relatado na literatura e é definido nesta tese. O novo modo de emissão apresenta dois vórtices com circulação oposta e elevada intensidade emitidos por ciclo. A influência da direção alinhada com o escoamento está relacionada a dois efeitos: a velocidade relativa entre o cilindro e o fluido, responsável pelo aumento da circulação dos vórtices na esteira, e o ângulo de fase do movimento nas direções alinhada e transversal, capaz de mudar o processo de formação dos vórtices. / Vortex-induced vibration (VIV) phenomenon is a fundamental problem of Fluid Mechanics and a typical example of fluid-structure interaction. This thesis explores the VIV phenomenon for a rigid circular cylinder immersed in a uniform fluid current. The cylinder is free to oscillate in two degrees of freedom (2dof): in-line and cross flow. The thesis was structured in order to answer seven questions regarding VIV: 1) Are the phenomenon and its experimental results repetitive? 2) How do the branches transition occur? 3) What is the role played by the inertia of the oscillating structure? 4) What is the role of its stiffness? 5) Which are the most relevant natural frequencies of the structure? 6) Which are the vortex wake patterns developed in VIV 2dof? 7) What are the influences of the in-line movement to the process of vortex formation and shedding? The phenomenon is experimentally investigated using an elastic base similar to a pendulum and able to oscillate with the same moment of inertia and natural frequencies in both directions. All the experiments were conducted in a recirculating water channel facility and with several combinations of moment of inertia and stiffness of the structure. Particle image velocimetry provided visualization of different vortex wake patterns. The phenomenon is repetitive in terms of its mean amplitudes and dominant frequencies. The transitions between dfferent branches can be hysteretic or intermittent. It is shown that both the moment of inertia and the stiffness of the structure are able to change the regime of oscillations and, for some cases, suppress the in-line movement. Among the different vortex wake patterns observed, one has not been reported previously in the literature. The new wake pattern shows two large vortices with high and opposite circulations shed per cycle. The influence of the displacement in the current direction is related to two different effects: the relative velocity between the incoming flow and the structure motion, responsible for the increase in the net circulation shed in the vortex wake, and the influence of the phase angle between the displacement in the in-line and cross-flow directions, capable of changing the vortex formation process.