Análise numérica da vibração induzida por vórtices a baixos números de Reynolds em um cilindro sob base elástica

Abstract

A vibração induzida por desprendimentos de vórtices (VIV) é um fenômeno encontrado em diversos campos da engenharia, como, por exemplo, na interação das correntes e ondas com os pipelines e risers. O objetivo deste estudo é de analisar numericamente o comportamento de um cilindro circular apoiado em base elástica sujeito a um escoamento uniforme a baixo número de Reynolds, onde o escoamento tem um comportamento bidimensional, laminar e periódico. O modelo numérico está baseado em um esquema particionado de interação fluido-estrutura. O código de modelação numérica do escoamento emprega o método semi-implícito de Taylor-Galerkin de dois passos para discretizar no tempo e no espaço as equações de Navier-Stokes usando uma formulação lagrangeana-euleriana arbitrária. A integração temporal das equações diferenciais do movimento do cilindro (sistema massa-mola-amortecedor) é realizada através do método de Newmark. Primeiramente, para o caso do cilindro fixo, são calculados diversos parâmetros do escoamento para um número de Reynolds entre 90 e 140 e comparados com os experimentais e os de outros modelos numéricos. Após, são realizadas simulações para esta faixa de números de Reynolds considerando o cilindro sob apoio elástico na direção transversal ao escoamento e os resultados, em termos de deslocamentos e de frequências de vibração, são comparados com os experimentais. Neste estudo, são identificadas as frequências de lock-in em que ocorre o fenômeno de ressonância.