Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14690
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Desenvolvimento de procedimentos de modelagem de interação fluido-estrutura combinando a Teoria de Vigas de Cosserat e a metologia de fronteira imersa
Alternate title (s): Developing procedures for modeling fluid-structure interaction by combining the Cosserat beams theory and immersed boundary methodology
Author: Borges, Adailton Silva
First Advisor: Rade, Domingos Alves
First coorientator: Silveira Neto, Aristeu da
First member of the Committee: Pereira, João Antonio
Second member of the Committee: Franciss, Ricardo
Third member of the Committee: Lima, Antônio Marcos Gonçalves de
Fourth member of the Committee: Almeida, Odenir de
Fifth member of the Committee: Gasche, José Luiz
Summary: 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.
Keywords: 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
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Language: por
Country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Institution Acronym: UFU
Department: Engenharias
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: BORGES, Adailton Silva. Developing procedures for modeling fluid-structure interaction by combining the Cosserat beams theory and immersed boundary methodology. 2010. 207 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2010.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14690
Date of defense: 13-May-2010
Appears in Collections:TESE - Engenharia Mecânica

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