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Brasilia, maro de 2015

Marcus Vinicius G. de Morais

Interao Fluido-Estrutura

- Tpicos Especiais 1 & 2 em Cincias Mecnicas -

- Tpicos Especiais 1 & 2 em Sistemas Dinmicos -

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Plano da Apresentao

1. Multifisica Multiescala Multiprocessamento

Definies: Multifisicos Multiescalas Multiprocessamento

Contexto Industrial Exemplos Prticos

2. Interao Dinmica Fluido-Estrutura

Problemas Multifisicos

a. Fluido sem Escoamento

Vibrao Induzida Por Vortex

Escoamento Interno dentro do Gerador de Vapor (GV)

Tubo Conduzindo Fluido (ou Tubo de Padoussis)

b. Fluido sem Escoamento

Problemas Vibroacusticos

Problemas de Hidroelsticos

(Massa Adicional e Amortecimento Adicional)

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Multifisica Multiescala Multiprocessamento

PROBLEMAS ACOPLADOS so modelados e simulados atravs de trs multis (Felippa, 2006)

Multifisicos: classifica o problema quanto ao modelo fisico das partes.

Ex.: interao fluido-estrutura, magneto-hidrodinmico, etc...

Multiescalas classifica o problema quanto escala fisica do modelo fisico.

Ex.: prbs. poroelasticos (permeao-mecnica, termo-mecnico, THM), biomecnica, modelos de turbulncia, etc...

Multiprocessamento classifica o problema quanto aos soluo numrica.

Ex.: solues numricas monoliticas ou particionadas, etc...

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Interao Dinmica Fluido-Estrutura

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Interao Dinmica Fluido-Estrutura

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Ponte Tacoma

Aeroelasticidade em Corpos Rombudos e Perfis Aerodinmicos

Flutter em Glider

Apenas em Problemas de Engenharia do Passado!

Interao Dinmica Fluido-Estrutura

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A interao fluido-estrutura um

fenmeno cada vez mais presente.

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Alguns Exemplos de Fenmenos

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Gerador de Vapor : Escoamento Interno

Nombreux Composants Industriels (cur du racteur, GV, ) composs de faisceaux tubulaires vibrant sous leffet dun coulement analyse avec soin pour des raisons de suret (princ.) et conomique

Analyse Vibratoire dun Faisceau de Tubes sous Ecoulement matrise de vibrations induites par lcoulement

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Gerador de Vapor : Escoamento Interno

Parte alta cintrada (mixtura agua-vapor)

Entre

de leau

Entre

de leau Sortie

de leau

Vapeur-Eau

(85% vapeur)

Parte baixa

(fluido monofasico)

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Instabilidade Fluido-Elstica

Fenmeno Fluido-Elastico

Excitao Aleatoria

Acrochagem (monofasico)

Excitao Aleatoria

Instabilidade Fluido-Elastica (IFE) Grandes Vibraes Dano (usure) Ruptura

Am

ort

ec

ime

nto

Fre

qu

n

cia

N

ive

u V

ibra

tori

o

rms

Aco

pl.

Flu

ido

-Estr

uctu

ra

Acrochagem

Instabilidade

fluido-elastica

V critica

Velocidade Reduzida VR

fk

Uo

6

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Instabilidade Fluido-Elstica

Acoplamento Fluido-Elastica

(Interao Dinmica Fluido-Estrutura)

Uo

Estrutura (Lagrangeana)

Fluido (Euleriana)

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Vibrao de uma Rede de Tubos sob Escoamento

Efeito de Camaras

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Problemas Vibroacusticos

Vibraes em Dutos e Cavidades

Vibraes em Dutos: compreenso de sistemas acoplados com

escoamento (fluido-elastico) passa pela

simulao de problemas em repouso.

fase preliminar para a simulao da

operao normal e eventuais cenarios

complexos ou acidentais.

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Problemas Vibroacusticos

Vibraes em Barragens

desenvolvimento de ferramentas dedicadas so raras. normalizao esta restrita a norma americana US Corp. necessidade de entender a influncia do sistema B+R

e os efeitos...

catastroficos!

Danos na barragem de

Shih-Kang. Terremoto Chi-Chi.

Taiwan 1999. (Wieland, 2002)

Barragem de Camar PB 30.000 desabrigados (2004)

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Descrio do Modelo Numrico

s

f

n

n

i i

n

S

p

u

Fluido - Domnio f Estrutura - Domnio s

Equao de Pequenos Movimentos da Estrutura, sob Efeitos de um Campo de Presso P sobre i.

Equaes Acstico Linear do Fluido sob Efeito de um Movimento da Parede i.

Interface IFE - Superfcie i

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Resultados Numricos IFS: Vibraes de Barragem

Domnio Fluido

c = 1500 m/s; f = 1000kg/m;

L = 10,00m; H = 1,00 m;

S=1,00xH=1,00 m

Domnio Slido

E= 2,111011 N/m;

s = 7800kg/m;

= 0,30; t = 0,20m;

1 Modo Acoplado de Vibrao - 1 = 143 Hz

Soluo Aproximada(Massa Adicional) ad = 131 Hz

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Resultados Numricos IFS: Vibraes de Dutos

Conexo de Tubos com Pisto

Geometria e Malha em Elementos Finitos

Soluo das Freqencias Longitudinais

da Cavidade Acstica Acoplada

Caract.Geomtricas:

L = 2 l = 1m; t = 0.05m

S = 1m2; s = 0.10m2

Caract.do Fluido:

f = 1000 kg/m3

c = 1500 m/s

Caract.do Slido:

s = 7800 kg/m3

K = 80 KN/m2

Dados do Problema:

0sensencoscos

sencoscossen

nnnn

nnnnnn

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Resultados Numricos(2)

Tubulao Acoplada a Acumulador - Gibert(1988)

Malha em

Elem. Finitos

Caract.Geomtricas:

L = 10.0m; l = 1.0m

S = 1.0m; s = 0.1m

Caract.do Fluido:

f = 1000 kg/m3

c = 1500 m/s

Caract.do Slido:

K = 100000 N/m;

s = 7800 kg/m3

Dados do Problema: L L

s S

Esquema do

Problema

l

1 Forma Modal em Oposio de Fase

numrico = 1.6 rad/s

aproximado = 1.82 rad/s

2 Forma Modal - em Fase

numrico = 3.0 rad/s

aproximado = 3.16 rad/s

IFS: Vibraes de Dutos

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Vibraes em Estruturas Offshore

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O fenmeno de altas Vibraes Induzida por Vortex (VIV)

est presente em estruturas petrolferas offshore, por

exemplo, cabos de ancoragem e condutos injetor/produtor

(risers) submetido as correntes martimas.

Vibrao Induzido Por Vortex (VIV)

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Vibrao Induzida por Vortex (VIV) uma classe de

acoplamento fluido-estrutura associado ao descolamento

de vortex de Karman em corpos rombudos sob

escoamento.

Williamson and Govardhan

Annu. Rev. Fluid Mech. 2004

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Vortex de Karman

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NASA Landsat 7 - 2000 (www.earthobservatory.nasa.gov)

Vibrao Induzida por Vortex: Descrio

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VIV responsvel

induz vibraes cclicas em cabos e condutos;

responsveis por esforos nas

estruturas;

usura, fadiga, ..., e ruptura catastrfica

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Vibrao Induzida por Vortex: Problemas

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Estudo de Modelos Fenomenolgicos

Semi-Analticos

Cilindro Isolado: Fachinetti (2003) e Violette (2009) Fortaleza (2011)

Cilindros em Paralelo/Linha

Calibrao de Modelos por CFD

ALE 2D (Morais, 2006) ARF 2D (Morais, 2006) 3D

TLD & TLCD Controle de Vib. em Turbina Elica

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With expansion of Wind Turbine

Industries, we observe a increase of

accidents due to dynamic actions

(e.g., wind force, seismic activities,

excessive vibration)

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Response of a Pendulum TMD with Large Displacements

Lpez-Reyes et al. (2013) Proceedings of the 31st IMAC

But, passive device are contributing to

control dynamic anomalies of excessive

vibration by use of TMD.

Here we have a example of Pendulum type TMD.

Controle de Vibraes em Turbinas Elicas

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