Este trabalho lida com o escoamento incompressível ao redor de pares de cilindros rígidos e imóveis, posicionados de forma alinhada em relação a uma corrente uniforme. São dois os objetivos desta pesquisa: o primeiro é estabelecer relações de causalidade entre características físicas do escoamento e as mudanças observadas nas forças e no campo fluido com as variações do número de Reynolds (Re) e do espaçamento entre os corpos; e o segundo consiste em compreender a influência mútua entre tridimensionalidades e interferência no escoamento. Utilizou-se o método de elementos espectrais para realizar simulações bi e tridimensionais do escoamento. Os espaçamentos entre centros (lcc) analisados vão de 1,5 a 8 diâmetros, e eles são comparados com o caso de um cilindro isolado. A faixa de Re vai de 160 a 320, compreendendo a transição na esteira. O foco foi dado nas instabilidades de pequena escala (modos A e B). Dados referentes ao número de Strouhal, coeficiente de arrasto médio, flutuação do coeficiente de sustentação e correlação axial são apresentados. Com auxílio de visualizações do escoamento, são propostos mecanismos que explicam o fenômeno de interferência, refletido no comportamento das curvas. Os resultados mostraram que simulações bidimensionais são insuficientes para se prever a combinação (Re, lcc) de inversão do arrasto. Verificou-se também que, quando o espaçamento é menor do que o crítico, o processo de transição na esteira se dá de forma diferente do observado para um cilindro isolado. / This work deals with the incompressible flow around pairs of rigid and immovable circular cylinders in tandem arrangements. There are two goals in this research: the first one is to find causality relationships between physical characteristics of the flow and the changes that are observed in the forces and in the flow field with the variation of the Reynolds number (Re) and the distance between the bodies; and the second one is to comprehend the mutual influence between three-dimensional structures and interference. The spectral element method was employed to carry out two- and three-dimensional simulations of the flow. The centre-to-centre distance (lcc) of the investigated configurations varies between 1.5 and 8 diameters, and they are compared to the isolated cylinder case. The Re range goes from 160 to 320, covering the transition in the wake. We focused in the small scale instabilities (modes A and B). Data of Strouhal number, mean drag coefficient, RMS of the lift coefficient and axial correlation are presented. With aid of flow visualizations, we propose mechanisms to explain the interference phenomenon, which is reflected in the behaviour of the graphics. The results show that two-dimensional simulations are not sufficient to predict the (Re, lcc) pair correspondent to the drag inversion point. We also verified that, in the cases where lcc is lower than the critical spacing, the transition in the wake happens in a way different from the one observed in the flow around a single cylinder.

Este trabalho lida com o escoamento incompressível ao redor de pares de cilindros rígidos e imóveis, posicionados de forma alinhada em relação a uma corrente uniforme. São dois os objetivos desta pesquisa: o primeiro é estabelecer relações de causalidade entre características físicas do escoamento e as mudanças observadas nas forças e no campo fluido com as variações do número de Reynolds (Re) e do espaçamento entre os corpos; e o segundo consiste em compreender a influência mútua entre tridimensionalidades e interferência no escoamento. Utilizou-se o método de elementos espectrais para realizar simulações bi e tridimensionais do escoamento. Os espaçamentos entre centros (lcc) analisados vão de 1,5 a 8 diâmetros, e eles são comparados com o caso de um cilindro isolado. A faixa de Re vai de 160 a 320, compreendendo a transição na esteira. O foco foi dado nas instabilidades de pequena escala (modos A e B). Dados referentes ao número de Strouhal, coeficiente de arrasto médio, flutuação do coeficiente de sustentação e correlação axial são apresentados. Com auxílio de visualizações do escoamento, são propostos mecanismos que explicam o fenômeno de interferência, refletido no comportamento das curvas. Os resultados mostraram que simulações bidimensionais são insuficientes para se prever a combinação (Re, lcc) de inversão do arrasto. Verificou-se também que, quando o espaçamento é menor do que o crítico, o processo de transição na esteira se dá de forma diferente do observado para um cilindro isolado. / This work deals with the incompressible flow around pairs of rigid and immovable circular cylinders in tandem arrangements. There are two goals in this research: the first one is to find causality relationships between physical characteristics of the flow and the changes that are observed in the forces and in the flow field with the variation of the Reynolds number (Re) and the distance between the bodies; and the second one is to comprehend the mutual influence between three-dimensional structures and interference. The spectral element method was employed to carry out two- and three-dimensional simulations of the flow. The centre-to-centre distance (lcc) of the investigated configurations varies between 1.5 and 8 diameters, and they are compared to the isolated cylinder case. The Re range goes from 160 to 320, covering the transition in the wake. We focused in the small scale instabilities (modes A and B). Data of Strouhal number, mean drag coefficient, RMS of the lift coefficient and axial correlation are presented. With aid of flow visualizations, we propose mechanisms to explain the interference phenomenon, which is reflected in the behaviour of the graphics. The results show that two-dimensional simulations are not sufficient to predict the (Re, lcc) pair correspondent to the drag inversion point. We also verified that, in the cases where lcc is lower than the critical spacing, the transition in the wake happens in a way different from the one observed in the flow around a single cylinder.

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.

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.