Os experimentos apresentados neste capítulo compõem o núcleo deste trabalho de pesquisa. Os resultados obtidos somam novos dados à literatura contribuindo para uma melhor compreensão dos fenômenos de VIE em cilindros rígidos. Envolvem ensaios com modelos montados em bases elásticas, livres para oscilar apenas na direção transversal ao escoamento incidente. Os conjuntos apresentam diversas configurações de parâmetros de massa e amortecimento que serão apresentados e discutidos caso a caso oportunamente.
Figura 3.1: Escopo dos ensaios experimentais.
O escopo dos experimentos é analisar o comportamento dinâmico de um cilindro isolado e dois cilindros alinhados com o escoamento. O cilindro isolado apresenta duas configurações: fixo e livre para oscilar transversalmente. Os cilindros alinhados apresentam diversos espaçamentos entre os centros e quatro possibilidades para oscilar: os dois fixos; cilindro à montante fixo e à jusante livre; cilindro à montante livre e à jusante
fixo; e dois cilindros livres para oscilar transversalmente. Com estes arranjos, objetiva-se coletar dados para a investigação dos fenômenos de VIV, galloping e interferência entre cilindros alinhados. A Figura 3.1 ilustra o escopo dos experimentos.
Parte destes experimentos foi desenvolvida no Canal Circulante do Laboratório de Hidrodinâmica no Departamento de Aeronáutica no “Imperial College of Science, Technology and Medicine” de Londres. Porém, a maioria dos ensaios foi realizada no Canal de Água Circulante do NDF – Núcleo de Dinâmica e Fluidos – da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. As instalações de ambos os laboratórios serão descritas posteriormente. Neste ponto, convém destacar que o laboratório do Imperial College (IC) não possuía a instrumentação de PIV – Velocimetria por Imagens de Partículas – de modo que as medições de campos de velocidades foram todas realizadas no Brasil. Além disso, o Canal do NDF foi projetado e construído durante esta pesquisa e recebe dedicada e especial atenção nos apêndices deste texto.
Em suma, as medições realizadas nestes dois laboratórios cumprem com dois propósitos de naturezas distintas: medições da resposta dinâmica da estrutura e medições da dinâmica da esteira; explicadas a seguir.
Resposta dinâmica da estrutura
Os modelos projetados foram devidamente instrumentados para a medição do comportamento dinâmico em resposta aos fenômenos de interação entre fluido e estrutura. Tais respostas dinâmicas variam ao longo da faixa de velocidade do escoamento incidente no cilindro, de modo que todas as grandezas foram medidas em função do parâmetro de velocidade reduzida, definido na expressão [2.21]. As grandezas analisadas são listadas nos parágrafos a seguir.
Amplitude de oscilação: Trata-se da amplitude de oscilação transversal do modelo
em função da velocidade reduzida. É um dos típicos resultados apresentados em estudos de VIE, importante para avaliar os carregamentos nas estruturas sujeitas aos fenômenos de interação com o fluido.
Freqüência de oscilação: É a freqüência com que o cilindro oscila transversalmente
“atraso”) entre a força fluida de excitação gerada no escoamento e o deslocamento da estrutura. Como descrito no capítulo anterior, permite analisar os modos de emissão de vórtices na esteira para o fenômeno de VIV; e identificar a existência do fenômeno de galloping. Além disso, mostra o quanto de energia é transmitida do fluido excitando o sistema.
Ângulo de fase entre as oscilações dos dois cilindros: Para as configurações em que
ambos os cilindro à montante e à jusante estão livres para oscilar, representa o ângulo de fase entre os deslocamentos. Permite identificar se há algum tipo de acoplamento fluidodinâmico que relaciona as oscilações dos dois cilindros.
Dinâmica da esteira
De modo análogo, os modelos foram preparados para permitir a análise da dinâmica do escoamento ao redor dos cilindros. As técnicas empregadas envolvem tanto visualizações qualitativas, quanto medições quantitativas do campo de velocidades e vorticidades.
Campo de velocidades: A obtenção do campo de velocidades permite a
investigação do escoamento no domínio da esteira e seus efeitos sobre os cilindros. A flutuação da velocidade em um determinado ponto pode revelar a freqüência de emissão de vórtices para VIV e flutuação do ângulo de ataque do escoamento incidente para o fenômeno de galloping.
Campo de vorticidades: Derivado do campo de velocidades, a análise das estruturas
de vórtices é a maneira mais clara para a compreensão da dinâmica da esteira, permitindo identificar os modos de emissão de vórtices e os efeitos da esteira nas estruturas à jusante do desprendimento.
A Tabela 3.1 apresenta o plano com todas as montagens de experimentos realizados. A coluna “Objetivo” indica quando serão realizadas as medições de resposta dinâmica da estrutura ou dinâmica da esteira do escoamento. A coluna “Liberdade para oscilar” indica qual dos cilindros estará livre para oscilar nas montagens de um par de cilindros alinhados. A coluna “Laboratório” indica o local onde os experimentos foram realizados: “NDF” para a Universidade de São Paulo; e “IC” para o Imperial College. Convém ressaltar que dentro de cada arranjo de dois cilindros alinhados ainda ocorrem
variações no espaçamento entre seus centros. Por fim, dentro de cada uma destas montagens foram realizadas medições para cerca de 40 diferentes velocidades do escoamento incidente, totalizando mais de 1500 condições diferentes de experimentos!
Tabela 3.1: Plano dos ensaios experimentais realizados.
Nº Arranjo Objetivo Liberdade para oscilar Laboratório
Resposta Montante Jusante
dinâmica
Dinâmica
da esteira fixo livre fixo livre NDF IC
1 Cilindro Isolado 9 9 9 2 Cilindro Isolado 9 9 9 3 Cilindro Isolado 9 9 9 9 4 Cilindro Isolado 9 9 9 9 5 2 Cilindros Alinhados 9 9 9 9 6 2 Cilindros Alinhados 9 9 9 9 9 7 2 Cilindros Alinhados 9 9 9 9 9 8 2 Cilindros Alinhados 9 9 9 9 9 9 2 Cilindros Alinhados 9 9 9 9 9 10 2 Cilindros Alinhados 9 9 9 9 9 11 2 Cilindros Alinhados 9 9 9 9 9