O objetivo deste projeto de mestrado é estudar o escoamento bidimensional ao redor de um cilindro isolado oscilando forçadamente e apoiado em base elástica através de simulações computacionais utilizando o Método de Elementos Espectrais. Este tópico suscita grande interesse no meio tecnológico, pois esta configuração aparece com bastante freqüência em estruturas marítimas, como os \"risers\" de produção e umbilicais de plataformas de exploração de petróleo, e também no meio acadêmico, uma vez que se trata do estudo de fenômenos complexos originados do escoamento ao redor de uma geometria simples: cilindro circular. A pesquisa tem seu principal enfoque na avaliação da utilização do método espectral de elementos finitos para solução do escoamento bidimensional no limite do regime de esteira laminar, Re < ou = 200 , ao redor de um cilindro oscilando forçadamente e apoiado em base elástica. As simulações do escoamento ao redor de um cilindro oscilando forçadamente são realizadas com duas amplitudes de oscilação do cilindro: 0.15D e 0.40D . Para cada amplitude são utilizadas dez freqüências de oscilação: 0.8 s f , 0.85 s f , 0.9 s f , 0.95 s f , 0.975 s f , 0.9875 s f , 1.025 s f , 1.05 s f , 1.075 s f e 1.1 s f ; onde D é o diâmetro do cilindro e s f é a freqüência de desprendimento de vórtices para cilindro fixo. O objetivo destas simulações é a tentativa de observação do fenômeno da mudança brusca do ângulo de fase entre a força transversal à direção da corrente e o deslocamento do cilindro, \"phase-jump\", obtendo, deste modo, uma base para comparação com trabalhos já existentes sobre o mesmo tema, avaliando o método numérico utilizado para o caso do escoamento ao redor de um cilindro oscilando. As simulações do escoamento ao redor de um cilindro apoiado em base elástica (livre para oscilar) foram feitas com apenas um grau de liberdade: a direção transversal ao escoamento incidente (eixo y no caso estudado). O resultado mais importante deste tipo de configuração, do ponto de vista prático (projetos de \"risers\", e outras estruturas cilíndricas), é a curva max A / D versus r V , isto, devido à dependência da vida útil destas estruturas à máxima amplitude de oscilação. Para reproduzir a curva max A / D versus r V , foram escolhidos os seguintes valores de velocidade reduzida: 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, e 10.0. / The goal of this work is to study through numerical simulations using the Spectral Elements Method the two-dimensional the flow past a single circular cylinder that is either in simple harmonic cross-flow oscillation or elastically mounted. This is a very important topic for the technological environment because this configuration is identical to offshore structures, like risers of oil production platform and is also important to scientific environment due to the study of complex phenomena originated from the flow past a very simple geometry: a circular cylinder. The focus of this research is to evaluate the use of Spectral Element Method for solution of two-dimensional flow past a circular cylinder that is either in simple harmonic cross-flow oscillation or elastically mounted, at the laminar wake limit, Re < or = 200 . Two oscillation amplitudes were employed for the forced oscillations simulations: 0.15D e 0.40D . And, for each amplitude, were selected ten frequencies: 0.8 s f , 0.85 s f , 0.9 s f , 0.95 s f , 0.975 s f , 0.9875 s f , 1.025 s f , 1.05 s f , 1.075 s f e 1.1 s f ; where D is the cylinder diameter and s f is the vortex shedding frequency. The phase jump phenomenon, e.g., the fast change of phase angle, is observed and compared with existents works evaluating the Spectral Elements Method for forced oscillations cases. In the elastically mounted simulations the most important result, for the practical point of view (risers design), is the max A / D x r V curve, e.g., maximum amplitude versus velocity ratio, due to the relation of risers lifetime with maximum oscillation amplitude. To build the max A / D x r V curve were selected the follow values of velocity ratio: 1.0, 2.0, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, e 10.0.

A circular cylinder is a geometrically simple bluff body that occurs in various practical applications. As with any bluff body, it exhibits large drag forces and a strong fluctuating lift force, both related to the strong shedding of vortices from the body, which is commonly referred to as the Karman Street. Rigid splitter plates in the wake of the cylinder are known to suppress shedding from the body, and thereby result in reduced drag and fluctuating lift forces, the latter being important to reduce flow-induced vibrations of the body. In the present work, the flow past a cylinder with a downstream flexible splitter plate/flap is studied, the length (L) and flexural rigidity (EI) of the flap being the main parameters besides the flow speed (U). Two flaps length to cylinder diameter ratios (L/D), namely, a short (L/D = 2) and a long (L/D = 5) flaps have been studied, the shorter one being smaller than the recirculation zone, while the larger is longer than the recirculation zone. In both these cases, the flexural rigidity (EI) and the flow speed are systematically varied. In all cases, the flaps motion are directly visualized, the lift and drag forces are measured with a force balance, and the wake velocity field is measured using PIV. In both the long and short flaps cases, the flexural rigidity (EI) of the flexible flap has been varied over a large range of values, and it has been found that the results for flaps tip motion and forces collapse well when plotted with a non-dimensional bending stiffness (K∗), which is defined as K∗ = EI/(1/2ρU2L3). This collapse occurs across flexible flaps with different values of EI, as long as Re > 5000. The collapse is not found to be good for Re < 5000. This difference appears to be related to the large reduction in fluctuating lift for a bare cylinder in the Re range between approximately 1600 and 5000 discussed by Norberg[41]. In the long flap case, the existence of two types of periodic modes is found within the range of K∗ values from 5 × 10−6 to 1 × 10−1 studied. The first one corresponds to a local peak in amplitude at K∗ ≈ 1.5 × 10−3 that is referred to as mode I, and the second that occurs at low values of K∗ (K∗ < 3 × 10−5) that is referred to as mode II. The fluctuating lift is found to be minimum for the mode I oscillation. The mean drag is also found to reach a broad minimum that starts at K∗ corresponding to mode I and continues to be at the same low level of approximately 65% of the bare cylinder drag for all higher K∗ values, representing an approximately 35% decrease in mean drag of the cylinder. The wake measurements also show significant changes with K∗. The formation length (lf /D) obtained from the closure point of the mean separation bubble is found to continuously increase with K∗, reaching values of approximately 2.6 at mode I and thereafter only small increases are seen as K∗ is increased to large values corresponding to the rigid splitter plate case, consistent with the observed variations in the mean drag. The stream wise and cross-stream turbulent intensities and the Reynolds shear stress are all found to be strikingly lower in the mode I case compared to the bare cylinder case, and more importantly, these values are even lower than the rigid splitter plate case. This is consistent with the shedding of weaker vortices and with the minimum in fluctuating lift found in the mode I case. The results for this flap length show that the mode I flap oscillation, corresponding to K∗ ≈ 1.5 × 10−3, may be useful to reduce lift, drag, velocity fluctuations in the wake and the strength of the shed vortices. In particular, the wake fluctuations corresponding to this mode are found to be significantly lower than the rigid splitter plate case. In the short flap case (L/D = 2), it is found that there exists a richer set of flapping modes compared to the long flap, with these modes being dependent on K∗. At low K∗ values, the flap exhibits large amplitude symmetric flap motion that is referred to as mode A, while clearly asymmetric flaps motion are seen at higher K∗ values corresponding to modes B and C. Mode B corresponds to asymmetric large amplitude flapping motion, while mode C is also asymmetric with the flap clearly deflected off to one side, but having small oscillation amplitudes. At even higher K∗ values, corresponding to mode D, symmetric flaps motion are again seen with the amplitudes being smaller than in mode A. Apart from the flap tip amplitude, the non-dimensional frequency of flap tip motion also changes as the flap changes modes. In this case, there is a minimum in the fluctuating lift corresponding to mode B and C oscillation. The mean drag is found to reach a minimum again corresponding to mode C, which corresponds to an approximately 35% decrease in mean drag of the cylinder. In this case, there is a large increase in fluctuating lift (approximately 150% of the bare cylinder case) at higher values of K∗ that appears to correspond to a “resonant” condition between the structural natural frequency of the flexible splitter plate/flap and the wake shedding frequency of the bare cylinder. The wake measurements show that the formation length (lf /D) is the largest for mode C (deflected flap state), which is consistent with the observed minimum in mean drag observed for this mode. The stream wise and cross-stream turbulent intensities and the Reynolds shear stress are all found to be strikingly lower in the mode C case compared to the bare cylinder case, with the values for the Reynolds shear stress being lower than the rigid splitter plate case. This is again consistent with the minimum in fluctuating lift found in the mode C case. The results for this flap length show that the mode C flap oscillation, corresponding to K∗ ≈ 5 × 10−2 that correspond to a deflected flap state with very small oscillation may be useful to reduce lift, drag, velocity fluctuations in the wake and the strength of the shed vortices. The results from the present study show that the flexible flap/splitter plate down-stream of the cylinder exhibits a variety of mode shapes depending on the effective bending rigidity of the flap K∗ for both the long and short flaps cases. The forces and the wake are also found to be strongly dependent on this parameter K∗ with the wake fluctuations, lift fluctuations and the drag being very effectively suppressed at an intermediate value of K∗ that is found to be dependent on the plate/flap length.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第25248号 / 工博第5207号 / 新制||工||1994(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 / (主査)教授 八木 知己, 教授 杉浦 邦征, 教授 高橋 良和 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

O desenvolvimento da indústria offshore fez com que a demanda por unidades flutuantes para operações em águas ultraprofundas aumentasse e, com isso, surgiu um maior interesse nos fenômenos decorrentes de vibrações induzidas pelo escoamento em plataformas do tipo spar, TLP e semissubmersível, além de torres para produção de energia eólica (instaladas no mar). Para ampliar o conhecimento nesta área, experimentos foram realizados com cilindros flutuantes com baixa razão de aspecto (L/D = 2) e com diferentes geometrias na extremidade livre . Experimentos com a vibração induzida pelo escoamento em cilindros de seção quadrada e cilindros de seção quadrada e arestas arredondadas com baixa razão de aspecto foram realizados em um tanque de reboque. Estas diferentes geometrias de cilindros foram testadas e suportadas elasticamente por um conjunto de molas lineares. Dois ângulos de incidência diferentes foram testados: 0 e 45 graus. Os resultados de amplitude na direção transversal para modelos submetidos à incidência de 0 graus mostraram ser maiores. Além disso, as oscilações em yaw se mostraram importantes em todos os caso analisados. O efeito das arestas se mostrou importante, particularmente na incidência de 45 graus, para velocidades reduzidas maiores que 8. / The development of the offshore industry has meant that the demand for ultradeep water floating units has increased, and with this, a greater interest in the phenomena arising from FIV in spar, TLP and semi-submersible platforms has arisen. In order to increase the area knowledge, experiments were performed with floating cylinders with different geometries, with low aspect ratio (L/D = 2). Experiments of flow-induced vibration in cylinders with sharp aokokoknd rounded square section with low aspect ratio were performed in a towing tank. These geometries have been tested and elastically supported by a set of linear springs to provide low structural damping to the system. Two different incidence angles were tested: 0 and 45 degrees. The transverse response amplitudes for the 0-degree flow incidence were found to be larger. Moreover, yaw oscillations are important for all the cases analyzed. The rounded effect on the cylinders of square section were important, particularly for the the 45-degree incidence at reduced velocities higher than 8.

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 em travessas de pré-distribuidores de turbinas hidráulicas tem sido estudado nos últimos anos e várias soluções têm sido adotadas para minimizar interferências na estrutura que podem causar fratura por fadiga. O princípio básico das modificações é alterar o perfil da travessa de modo que as frequências de emissão de vórtices não coincidam com as frequências naturais da estrutura. Este trabalho tem como objetivo avaliar através de uma série de simulações computacionais um perfil mais adequado para um pré-distribuidor de turbina Francis. Essas simulações envolvem o cálculo do escoamento ao redor da travessa e da vibração induzida por vórtices nele presentes, bem como uma técnica que combina as análises dinâmicas com uma otimização paramétrica. Para isso, foi utilizado um código comercial de CFD, ANSYS Fluent e o cálculo da resposta estrutural e seu acoplamento com as equações do escoamento foi feito através de uma UDF (User Defined Function). Para validar a metodologia, a resposta estrutural de um corpo prismático sobre base elástica foi calculada e comparada a dados previamente publicados na literatura. Por fim, um código desenvolvido controla a análise fluido-estrutural e passa as variáveis para o otimizador Mode Frontier, que trabalha para encontrar a estrutura mais eficiente variando-se os parâmetros pré-determinados da geometria da peça. A metodologia desenvolvida tem a vantagem de ajudar no projeto de tais componentes sem depender excessivamente de métodos experimentais ou regras empíricas. Dessa forma, torna possível modificar perfis existentes ou desenvolver perfis novos baseado nos melhores critérios de manufatura. / Vortex induced vibration phenomena in hydraulic turbines stay vanes have been studied in the last years and several solutions have been adopted in order to minimize interferences that can cause fatigue in the structure. The basic principle of all modifications is to change the stay vane profile so the natural vortex shedding frequency is different from the natural frequencies of the structure. This work presents a detailed computational simulation of a Francis turbine stay vane whose main objective is to find out a more suitable profile these components should assume. These simulations involve the calculation of the flow around the vanes and the associated vortex induced vibration in the structure in addition to a technique that combines the dynamic analysis with a parametric optimization In order to do that, a commercial CFD code, ANSYS Fluent, was adopted and the calculation of the structural response and its coupling with the flow equations was done with User Defined Functions. Validation of the methodology was made by comparing the structural response of an elastically-mounted prismatic body immersed in uniform flow with previously published data. Finally, a developed code controls the FSI analysis and provides information about the vibrations to the Mode Frontier optimizer, responsible to address the problem and determine the set of parameters that lead to the most efficient structure. The methodology developed has the advantage of helping the design of such components without depending excessively on experimental methods or empirical rules. Also, it allows either modifying existing profiles or choosing the best shape for new ones based on the best manufacturing criteria.

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 de um fluido ao redor de corpos rombudos configura-se em um dos principais problemas da mecânica dos fluidos. As investigações deste fenômeno são baseadas em técnicas analíticas, numéricas e experimentais. Cada abordagem apresenta suas vantagens e desvantagens, sendo impossível a plena caracterização do escoamento através de uma única técnica para a maioria das geometrias de corpo e condições de escoamento. É neste contexto que se insere esta tese, que compreende um estudo fundamental sobre a dinâmica de formação e desprendimento de vórtices baseado em técnicas experimentais. Primeiramente, realiza-se um estudo de estabilidade hidrodinâmica do escoamento em torno de cilindro circular via modelo de Ginzburg-Landau. Os resultados experimentais deste estudo serviram para validar simulações numéricas e a principal técnica experimental utilizada foi a Velocimetria por Imagem de Partículas (PIV). A decomposição de campos de velocidade em série de Fourier permite verificar a hierarquia sugerida pela solução assintótica da bifurcação de Hopf. Além disso, os resultados também indicam quando a tridimensionalidade passa a ser importante no escoamento. A tridimensionalidade do escoamento está intimamente ligada ao fenômeno de vibração induzida por vórtices (VIV), que exerce efeitos danosos em uma grande quantidade de estruturas sujeitas a escoamentos fluidos. Com o objetivo de suprimir as VIV, realizou-se um estudo paramétrico do supressor do tipo strakes helicoidal, que é bastante empregado na indústria offshore. Verificou-se que os strakes modificam as características tridimensionais da esteira de um cilindro. Apesar da eficiência dos strakes na supressão de VIV, eles possuem algumas limitações inerentes às características hidrodinâmicas do escoamento. Sendo assim, apresenta-se uma técnica que reduz as tridimensionalidades de modo a tornar o escoamento bidimensional, com a possibilidade de controle ativo de malha fechada. O método de controle de camada limite por superfícies móveis (CCLSM) suprime VIV e diminui o arrasto atrasando a separação da camada limite do cilindro através da injeção de quantidade de movimento angular pelos cilindros de controle rotativos. / The fluid flow around bluff bodies is one of the main problems in fluid mechanics. The investigations of this phenomenon are based on analytical, numerical and experimental techniques. Each technique presents advantages and disadvantages, being impossible the comprehensive characterization of the flow though only one technique for the majority of body geometries and flow conditions. Within this context, the present thesis is proposed, which comprehends a fundamental study about the vortex shedding dynamics based on experimental techniques. Firstly, a hydrodynamic stability study of the flow around a circular cylinder is performed using the Ginzburg-Landau model. The experimental results of this study allowed the validation of numerical simulations and the main experimental technique employed was the Particle Image Velocimetry (PIV). The Fourier series decomposition of velocity fields permits to verify the hierarch suggested by the asymptotic solution of the Hopf bifurcation. Additionally, the results also indicate when the three-dimensionalities become important in the flow. The flow three-dimensionality is closely associated to the vortex-induced vibration (VIV) phenomenon, which exerts damaging effects on a great quantity of structures subjected to fluid flows. In order to suppress VIV, it was realized a parametric investigation of the helical strakes, that are commonly employed in the offshore industry. One verifies that the strakes modify the three-dimensional characteristics of the cylinder wake. Despite of the strake efficiency regarding the VIV suppression, the strakes have some limitations that are inherent to the flow hydrodynamic features. Consequently, it is presented a technique that reduces the three-dimensionalities in order to create a two-dimensional flow, with the possibility of closed-loop active control. The moving surface boundary-layer control (MSBC) suppresses VIV and reduces the drag delaying the cylinder boundary-layer separation through the injection of angular momentum by the rotational control cylinders.

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.

O presente trabalho analisa criticamente um conjunto de resultados sobre a fundamentação, simulação e aplicabilidade de alguns modelos fenomenológicos para Vibração Induzida por Vórtices, ou VIV. São estudados os modelos de Hartlen&Currie, 1970, de Iwan&Blevins, 1975, e de Facchinetti&de Langre&Biolley, 2004. O estudo foi desenvolvido com os propósitos: fundamentar, com base em resultados teóricos e experimentais existente na literatura, a representatividade do fenômeno de VIV através desta classe de modelos; obter resultados da simulação numérica destes modelos para posterior confrontação com dados experimentais disponíveis na literatura; discutir a possibilidade de aplicação destes modelos na prática da engenharia. A fundamentação dos modelos fenomenológicos é obtida do trabalho de Aranha, 2004, que conclui pela possibilidade teórica de representar os fenômeno de VIV através de um conjunto de equações diferenciais simplificadas. Este fato traz embasamento aos modelos fenomenológicos, que partem deste princípio de simplificação e resultam em equações similares àquelas desenvolvidas por Aranha. Para desenvolver a simulação numérica dos três modelos foi idealizado um programa de computação científica capaz de resolver numericamente as equações diferenciais ordinárias dos modelos, interpolar os resultados da simulação, efetuar a transformada de Fourier dos resuldados interpolados e apresentar em um documento formato PDF um relatório detalhado da simulação. Este relatório permite a análise direta dos dados sem necessidade de pós-processamento, contendo gráficos de séries temporais, espectro de frequência e diversos gráficos usualmente encontrados na literatura especializada de VIV. Por sua vez, para discutir a aplicabilidade dos modelos estudados é feita uma compilação da fenomenologia de VIV e os resultados experimentais são comparados com os resultados da simulação. A comparação dos resultados das simulações com dados experimentais conclui que é bastante limitada a aplicabilidade dos modelos fenomenológicos. Apenas o modelo de Iwan&Blevins foi capaz de reproduzir a amplitude de pico constatada experimentalmente. No contexto mais amplo de VIV, o trabalho observa que o estudo de modelos fenomenológicos voltou a ser uma área de fértil desenvolvimento científico. / The present work develops a critical analysis of a family of results emerging from the systematic study of phenomenological models in Vortex Induced Vibration, VIV. The study covers the theoretical foundation, numerical simulation and the applicability of several fenomenological models already available in the literature. Amongst the models presented here are those from Hartlen&Currie, 1970, Iwan&Blevins, 1975, and Facchinetti&de Langre&Biolley, 2004. The purposes are threefold: based in theoretical and experimental results in the literature, to express the ability of those models in representing de VIV phenomena; to obtain numerical simulations results in order to compare them with experimental data; to address the practical application of the studied models in real engineering cases. The fundamental basis of the phenomelogical models was borrowed from the work of Aranha, 2004, which lead to the feasibility of modelling the VIV phenomena by a set of simplified differential equations. The phenomenological models have been using simplified equations since their beginning and now the work of Aranha can be used to give the phenomenological models a sound basis. The numerical simulator was directly implemented in a scientific program specialy designed for this purpose. The resulting software can numericaly solve the models' differential equations, interpolate the results, transpose the results from time domain to frequency domain and finally present a complete report in PDF format. The report allows the direct analysis of the models dispensing with the need of any further task. In order to address the applicability issues, a fairly complete compilation of the current available experimental data on VIV was done. The compiled data was then compared with the results from the numerical simulation of the models. The main conclusion of this last step is that the phenomenological models analysed are strongly limited and do not represent the VIV characteristics well enough. An exception is made to the Iwan&Blevins models for its capacity to predict the peak vibration amplitude. In a broad sense, this work points the phenomenological modelling of VIV as an active field of research.