Melhoria no Método de Caracterização em Canal de Água Circulante do Fenômeno de VIV em Modelos Oceânicos

Abstract

As Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV) representam um fenômeno de interação fluido-estrutura de grande relevância para a engenharia naval e oceânica, afetando a integridade e a vida útil de estruturas submersas. A caracterização precisa desse fenômeno em laboratório é fundamental para o desenvolvimento de projetos mais seguros e eficientes. Este trabalho apresenta o processo de desenvolvimento e validação de um sistema de restauração de baixo custo, projetado para aprimorar o método de análise experimental do VIV em modelos reduzidos ensaiados em um canal de água circulante. Com esse objetivo de aprimoramento, a primeira atividade da pesquisa, e foco desta iniciação científica, foi construir um aparato experimental que permitisse a um cilindro submerso oscilar predominantemente na direção transversal ao escoamento, replicando as condições críticas do VIV. O projeto foi guiado por cinco parâmetros essenciais: limitação a um único grau de liberdade efetivo, baixa relação de massa reduzida (m∗=1,3), baixo amortecimento estrutural (ζ = 0,1505%) para maximizar a resposta vibratória, baixa frequência natural de oscilação (fn = 0,998Hz) e baixo custo de construção. Para atender a esses requisitos, diversos sistemas foram cogitados, como: restauração por molas, restauração pendular e restauração por haste. Porém, o modelo que melhor se adequou aos requisitos foi o conhecido como mesa linear de lâminas flexíveis. A estrutura foi fabricada em PLA (ácido polilático) utilizando tecnologia de impressão 3D. Uma vez que o módulo de elasticidade do material impresso era desconhecido, realizou-se um ensaio preliminar para validar tal característica do material. Todos os deslocamentos do cilindro durante os experimentos foram quantificados com alta precisão por intermédio de um sistema de captura de imagem, o OptiTrack. Os experimentos finais no canal de água circulante, com variação da velocidade do fluido, demonstraram que o aparato atingiu os requisitos propostos. A análise dos dados revelou que a movimentação da estrutura segue o comportamento típico do VIV, com a identificação clara da região de sincronização (lock-in), incluindo a presença de um upper branch (ramo superior) e um lower branch (ramo inferior) de amplitudes de vibração. Além disso, confirmou-se o sucesso na limitação dos graus de liberdade, com as amplitudes de deslocamento no sentido do escoamento sendo desprezíveis em comparação com as do sentido transversal. Conclui-se que o sistema desenvolvido é uma ferramenta eficaz e de baixo custo para a caracterização do fenômeno de VIV. A metodologia e o aparato mostraram-se adequados e poderão ser utilizados em futuros projetos de pesquisa para investigar a influência do fenômeno em diferentes geometrias e modelos oceânicos.