Orientador: Celso Kazuyuki Morooka

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências

Resumo: Durante os últimos anos, as Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV) foram intensamente estudadas a partir de experimentos com cilindros retos instalados verticalmente ou horizontalmente, que diferem significativamente das tubulações curvas em forma de catenária, encontradas nos risers em...

Resumo: Durante os últimos anos, as Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV) foram intensamente estudadas a partir de experimentos com cilindros retos instalados verticalmente ou horizontalmente, que diferem significativamente das tubulações curvas em forma de catenária, encontradas nos risers em catenária. Desta forma, as VIVs para esta configuração de riser ainda são pouco compreendidas. Nesse sentido, neste trabalho é proposto um procedimento para o cálculo das VIVs em riser em catenária no domínio do tempo, utilizando as hipóteses do princípio da independência, que considera que apenas a componente normal da velocidade de correnteza em relação ao eixo do riser é significativa para as VIVs. Uma abordagem semi-empírica é adotada para calcular as forças transversais das VIVs, com base em coeficientes hidrodinâmicos encontrados a partir de experimentos com cilindros rígidos oscilando transversalmente ao escoamento. A frequência das forças de VIV é calculada através da mudança da frequência natural do riser devido à variação da massa adicional com a velocidade reduzida. Uma vez que respostas multi-modais podem ocorrer, um procedimento com base nas observações experimentais de células de desprendimento de vórtices e regiões de power-in são adotadas para determinar os modos de vibração excitados pelas VIVs. Dois experimentos com modelos flexíveis foram analisados. A partir do primeiro experimento verificou-se a validade das considerações do princípio da independência para tubos flexíveis. Já o segundo experimento teve a finalidade de entender o comportamento dinâmico de risers em catenária devido às VIVs, que demonstrou grande influência do comportamento das traveling waves na resposta da estrutura às VIVs. Por fim, o procedimento de cálculo das VIVs foi comparado com resultados experimentais para diferentes configurações e apresentou uma boa concordância.

Abstract: During the last years, the Vortex Induced Vibrations (VIV) were intensively studied from experiments with straight cylinders installed vertically or horizontally, which differ significantly from curved cylinders in catenary shape, found in catenary risers. Thus, for this riser...

Abstract: During the last years, the Vortex Induced Vibrations (VIV) were intensively studied from experiments with straight cylinders installed vertically or horizontally, which differ significantly from curved cylinders in catenary shape, found in catenary risers. Thus, for this riser configuration, VIVs are still poorly understood. Accordingly, this thesis proposes a procedure for the calculation of VIVs in catenary riser in the time domain, using the assumptions of the principle of independence, under which only the normal component of the flow velocity relative to the riser axis is significant to VIV. A semiempirical approach is adopted to calculate the transverse forces of VIV based on hydrodynamic coefficients found from experiments with rigid cylinders oscillating transversely to the flow. The frequency of the VIV forces is calculated by changing the natural frequency of the riser due to the variation of added mass in relation to the reduced velocity. Since multi-modal responses can occur, a procedure based on experimental observations of vortex shedding cells and power-in regions are adopted to determine the vibration modes excited by VIV. Two experiments with flexible models were analyzed. From the first experiment, the validity of the considerations of the principle of independence for flexible pipes is verified. The second experiment aimed to understand the dynamic behavior of catenary risers due to VIV, which showed a great influence of traveling wave's behavior in the response of the structure to VIV. Finally, the procedure of calculating VIV was compared with experimental results for different configurations and showed good agreement.