Análise numérica da vibração induzida por vórtices de dois cilindros alinhados com o escoamento

Abstract

A interação fluido estrutura faz parte de uma ampla gama de estudos da atualidade. Em função das interações dinâmicas entre fluido e estrutura, baseadas tanto nas propriedades do fluido e do escoamento quanto nas características estruturais do corpo submerso, poderá ocorrer vibração induzida por vórtices (VIV) e/ou a vibração induzida pelo escoamento (FIV). Neste trabalho a abordagem desse problema é do tipo numérica, mediante o uso do código Incompact3d, acoplado com um modelo dinâmico de oscilador simples. O esquema do Incompact3d permite a solução das equações de Navier-Stokes mediante Simulação Numérica Direta (DNS). O caso específico para o qual aplica-se o modelo numérico é o caso de dois cilindros circulares lisos idênticos alinhados com o escoamento. A validação do código é feita para números de Reynolds (Re) entre 100 e 300, espaçamento entre centro dos cilindros (S=D) entre 1; 5 e 10; 0 e velocidades reduzidas (U0) entre 2 e 14. Os cenários simulados são: cilindros de montante e de jusante fixos (MF ð€€€ JF), cilindros de montante e de jusante livres na direção transversal ao escoamento (MLyð€€€ JLy) e cilindros de montante e de jusante livres nas duas direções (MLxyð€€€ JLxy). Devido à carência de estudos comparativos entres estes três cenários, para números de Reynolds da ordem de 102 e espaçamento crítico (S=D 3; 5, que é função do Re), o presente trabalho estuda as estruturas formadas no escoamento, além das vibrações induzidas, a partir de simulações 2D para Re = 200 e 300, S=D = 3; 5 e 2 < U0 < 14, que corresponde à região onde acontecem os fenômenos tanto de ressonância quanto de galloping. Encontra-se que para o cenário MLyð€€€JLy a máximas oscilações ocorrem para 5 U0 8 e são maiores para Re = 300. Em termos de amplitudes de vibração, os cenários MLxy ð€€€ JLxy tiveram os maiores deslocamentos relativos, em relação aos MLy ð€€€ JLy.

The fluid-structure interaction makes part of a great number of current studies. As a function of dynamic interactions between fluid and structure, based on fluid and flow properties as on structural characteristics of the submerged body, could occur vortex induced vibration (VIV) and/or flow induced vibration (FIV). This work has a numerical approach to the problem, using Incompact3d code coupled with a simple oscillator dynamic model. The Incompact3d numerical scheme allows to solve the Navier-Stokes equations via Direct Numerical Simulation (DNS ). The coupled numerical code was applied to case of two circular smooth identical cylinders in cross-flow (tandem). The code validation is made for Reynolds numbers between 100 and 300, spacing between center-to-center cylinder (S=D) between 1; 5 and 10; 0 and reduced velocities (U0) between 2 and 14. The conditions simulated are: both cylinders fixed (MF ð€€€ JF), both cylinders free in transversal streamwise direction (MLy ð€€€ JLy) and both cylinders free to oscillate parallel and transverse to the streamwise direction (MLxy ð€€€ JLxy). Due to the absence of comparative studies between these settings, for Reynolds number O(102) and critical spacing (S=D 3; 5, which is a function of Re), the present work studies the flow structures, moreover induced vibrations, via 2D simulations for Re = 200 and Re = 300, S=D = 3; 5 and 2 < U0 < 14, that correspond to the region where resonance and galloping phenomena take place. It is found for MLy ð€€€ JLy escenary that the greatest oscillations occur for 5 U0 8 and they are greater than the correspond to Re = 300. All the MLxy ð€€€ JLxy settings have greater oscillations than the MLy ð€€€ JLy settings.