Análise estatística e avaliação do tamanho amostral em experimentos de vibração induzida por vórtices em cilindro em canal de água circulante

Abstract

Este trabalho apresenta a investigação de metodologias para a realização de análises estatísticas de dados e de incertezas aplicadas a experimentos de Vibração Induzida por Vórtices (VIV) no Canal de Água Circulante (CAC) do LIFE/UFSC-Joinville. Inicialmente, foi conduzida uma análise bibliométrica e uma revisão sistemática da literatura em base internacional de artigos científicos, os quais evidenciaram diferentes abordagens experimentais, numéricas e estatísticas sobre o tema, mas também revelou a ausência de estudos dedicados ao comportamento da incerteza em função do tamanho da amostragem. Em seguida, foi projetada, montada e acompanhada a execução dos ensaios no canal de água circulante, integrando o modelo cilíndrico, a base elástica e o sistema de monitoramento óptico de rastreamento de movimento. Os sinais adquiridos foram processados para extração dos picos de oscilação transversal, sendo avaliada a prática usual de considerar os 10% dos maiores picos para o cálculo da razão entre a amplitude e o diâmetro do cilindro. A evolução das médias para amostragens acumuladas e constantes foi avaliada em termos das incertezas previstas em intervalos de tolerância para um e dois desvios-padrão, em função do tamanho da amostra para 10% dos maiores picos. Assim os resultados demonstraram que o tamanho amostral interfere na incerteza associada, fornecendo maior robustez estatística às estimativas e possibilitando, assim, uma análise do valor de incerteza aceitável com o tamanho da amostra necessário para esse resultado. Dessa forma, o trabalho contribui metodologicamente ao propor e validar procedimentos de análise de incerteza em experimentos de VIV, oferecendo subsídios para futuras pesquisas experimentais e comparações com modelos numéricos.

This work presents the investigation of methodologies for performing statistical analyses of data and uncertainties applied to Vortex-Induced Vibration (VIV) experiments in the Circulating Water Channel (CWC) of LIFE/UFSC-Joinville. Initially, a bibliometric analysis and a systematic literature review were conducted using an international database of scientific articles, which revealed different experimental, numerical, and statistical approaches to the topic, but also highlighted the lack of studies dedicated to examining the behavior of uncertainty as a function of sample size. Subsequently, the design, assembly, and execution of the tests in the circulating water channel were carried out, integrating the cylindrical model, elastic base, and optical motion tracking system. The acquired signals were processed to extract the peaks of transverse oscillation, and the common practice of considering the 10% largest peaks for calculating the ratio between amplitude and cylinder diameter was evaluated. The evolution of mean values for both cumulative and fixed-size samples was analyzed in terms of the uncertainties predicted by tolerance intervals for one and two standard deviations, as a function of sample size for the 10% largest peaks. The results showed that sample size influences the associated uncertainty, providing greater statistical robustness to the estimates and thus enabling an analysis of the acceptable uncertainty value in relation to the sample size required to achieve it. Therefore, this work contributes methodologically by proposing and validating procedures for uncertainty analysis in VIV experiments, offering a foundation for future experimental research and comparisons with numerical models.