Publicação: Desenvolvimento de procedimentos de modelagem de interação
fluido-estrutura combinando a Teoria de Vigas de Cosserat e a Metologia
de Fronteira Imersa
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
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Coorientador
Silveira Neto, Aristeu da
Resumo
A presente tese descreve o trabalho de pesquisa realizado, com o objetivo de desenvolver,
implementar e avaliar um procedimento de modelagem tridimensional de fenômenos fluidoestruturais
que envolvem estruturas esbeltas, tais como vigas, barras e cabos. A nova abordagem
adotada consiste na combinação da teoria de vigas de Cosserat aplicada a estruturas esbeltas, que
leva em consideração as não-linearidades geométricas, e a metodologia de fronteira imersa, que é
usada para representar a interação entre os domínios estrutural e fluido. O estudo está incluído no
âmbito de Vortex-Induced Vibrations, que é um tema de grande interesse para a indústria
petrolífera, especialmente em relação a modelagem de risers utilizados para exploração de
petróleo em águas profundas. Segundo a teoria de vigas de Cosserat, a configuração deformada
da viga é descrita através do vetor deslocamento da curva de centróides, e uma base móvel,
rigidamente unida à seção transversal da viga, em relação a um referencial inercial. A principal
vantagem desta teoria é que esta é geometricamente exata. E o método de elementos finitos é
empregado para a discretização das equações do movimento. De acordo com a metodologia de
fronteira imersa, a força sobre a interface sólido-fluido é calculada dinamicamente através das
equações de balanço da quantidade de movimento sobre uma partícula de fluido na interface. As
principais características da metodologia proposta são avaliadas por meio de uma série de
simulações numéricas, tanto em regime estático como dinâmico, sobre o modelo estrutural, numa
primeira fase, e o completo modelo fluido-estrutura, em uma segunda etapa. Os resultados
obtidos permitem avaliar a precisão, as principais vantagens e limitações da metodologia,
especialmente quanto aos aspectos numéricos. Além disso, eles permitiram colocar em evidência
alguns aspectos fenomenológicos relevantes relacionados com o comportamento dinâmico de
estruturas cilíndricas com diferentes níveis de flexibilidade, sujeitas ao escoamento caracterizado
por diferentes valores de número de Reynolds.
Abstract
The present report describes the research work carried-out with the aim of developing,
implementing and evaluating a three-dimensional modeling procedure of fluid-structure
phenomena involving slender structures, such as beams, bars and cables. The novel approach
adopted consists of the combination of the Cosserat theory applied to slender beams, which
accounts for geometrical nonlinearity, and the Immersed Boundary methodology, which is used
to represent the interactions between the structural and fluidic domains. The study is included in
the scope of Vortex-Induced Vibrations, which is a topic of great interest in the oil industry,
especially as related to the modeling of risers used for oil exploitation in deep seas. According to
the Cosserat theory, the deformed configuration of the structure is described in terms of the
displacement vector of the curved formed by the cross-sections center of area, and the orientation
of a vector bases fixed to each cross-section, with respect to an inertial reference frame. The main
advantage of this theory is that is geometrically exact. Finite element is employed for
discretization of the equations of motion. According to the Immersed Boundary methodology, the
solid-fluid interface forces are calculated by enforcing momentum balance to the fluid particles
over the interface. The main features of the proposed methodology are evaluated by means of a
number of numerical simulations, both in static and dynamic regimes, regarding the structural
model, in a first step and the complete fluid-structure model, in a second step. The results
obtained enable to evaluate the accuracy and the main advantages and shortcomings of the
methodology, especially regarding the numerical aspects. Also, they enabled to put in evidence
some relevant phenomenological aspects related to the dynamic behavior of cylindrical structures
with various levels of bending flexibility, subjected to transverse flows characterized by different
values of the Reynolds number.
Palavras-chave
Dinâmica dos fluidos - Métodos computacionais, Método dos elementos finitos, Interação fluido-estrutura, Teoria de vigas de cosserat, Metodologia de fronteira imersa, Elementos finitos, Dinâmica de fluidos computacional, Fluid-structure interaction, Cosserat theory, Immersed boundary methodology, Finite emements, Computational fluid dynamics
Citação
BORGES, Adailton Silva. Desenvolvimento de procedimentos de modelagem de interação fluido-estrutura combinando a Teoria de Vigas de Cosserat e a Metologia de Fronteira Imersa. 2010. 207 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2010.