Tese de Doutorado

Dentre os problemas de interação fluido-estrutura, o desenvolvimento de estudos analíticos de tubos flexíveis sob ação combinada de escoamento interno, escoamento externo ou mesmo carregamentos torcionais ainda é limitado na literatura atual. Os efeitos fluidodinâmicos são bem documentados individualmente: no que tange ao escoamento interno, oscilações amortecidas ou ciclos limites periódicos são observados de acordo com a magnitude do perfil de velocidade; já o escoamento externo é relacionado a forças hidrodinâmicas e fenômenos como galloping, flutter ou vibrações induzidas por vórtices (VIV). O presente projeto de pesquisa trata da derivação e análise de modelos de ordem reduzida (MORs) tridimensionais para o tubo esbelto, flexível e engastado-livre escoando fluido monofásico e sujeito ao fenômeno de VIV, além de momentos torcionais pontuais. É um sistema aberto, em que termos relacionados ao transporte material devem ser contabilizados corretamente através de formulações estendidas para massa variável, de forma consistente com a conservação de massa do fluido interno. Os regimes de aspiração e ejeção são contemplados e os carregamentos relacionados ao VIV são obtidos com modelos fenomenológicos. A derivação dos modelos é realizada usando uma estratégia recursiva modular através da aplicação conjunta do Método de Galerkin e da Metodologia Modular de Modelagem (MMM), facilitando o tratamento de termos não-lineares com a definição de variáveis redundantes. Essa abordagem também possibilita a consideração de diferentes hipóteses e condições de contorno através da introdução de equações de vínculo adicionais. Um estudo paramétrico detalhado sobre estabilidade é proposto, visando idenficar a influência da condição de extensibilidade axial, das forças de arrasto, da massa adicional e de carregamentos de torção. Tratando-se de casos com torção, o sistema tem uma resposta dinâmica complexa que inclui flambagem, estabilidade ou instabilidade dinâmica. Já os cenários de arrasto revelaram a presença de direções preferenciais de instabilidade, estabelecendo duas velocidades críticas que podem ser distintas. Simulações numéricas consistentes com a análise linear também são apresentadas. Em especial, cenários de simulação de VIV mostram a mitigação ou amplificação da amplitude, de acordo com a magnitude do escoamento interno.

Among fluid-structure interactions (FSI) problems, the proper analytical model derivation of flexible pipes under the combined actions of internal flow, external flows or even torsional loads is still limited in the current literature. Both FSI phenomena are welldocumented individually: in regards to only internal flow, damped oscillations or periodic limit cycles are observed according to a velocity threshold; moreover, external flow is associated with hydrodynamic forces and instabilities such as galloping, flutter or vortexinduced vibrations (VIV). In this context, the present study develops three-dimensional nonlinear reduced-order models (ROMs) of the slender cantilevered pipe conveying singlephase flow subjected to VIV and localized torsional loads. As an open system, material transport terms must be computed with extended mechanical formulations for variable mass systems, consistently with the conservation of mass of the internal fluid. Aspiration and ejection regimes are considered and VIV hydrodynamic forces are obtained with phenomenological formulations, based on wake oscillator models. The models are derived using a modular-based recursive strategy with the application of Galerkin Method along with the Modular Modeling Methodology (MMM), treating nonlinear terms through the definition of redundant variables and constraint equations. This approach also enables the consideration of different system hypotheses or boundary conditions through the introduction of additional constraints. A detailed parametric study about stability is proposed, focusing on the influence of the axial extensibility, drag forces, added mass and torsional loads. In cases with internal flow and torsional loads, the system reveals a complex dynamic response that includes buckling, stability, or dynamic instabilities. Drag scenarios revealed the presence of preferred directions for instabilities, establishing two potentially distinct critical velocities. Numerical simulations consistent with linear analysis are also presented. In particular, VIV simulation scenarios show the mitigation or amplification effects of the amplitude, according to the magnitude of the internal velocity.