Introducao Ao Curso Interação Fluido Estrutura

Interação Fluido-Estrutura - Tópicos Especiais 1 & 2 em Ciências Mecânicas - Tópicos Especiais 1 & 2 em Sistemas Dinâmicos Marcus Vinicius G. de Morais

Brasilia, março de 2015

Plano da Apresentação 1.

Mul Multifisica – Multiescala  – Multiprocessamento Multiprocessamento 

Definições: Multifisicos Multiescalas Multiprocessamento



Contexto Industrial – Industrial – Exemplos  Exemplos Práticos

2. Int Intera eração ção Dinâ Dinâmi mica ca Fluid Fluido-E o-Estr strutu utura ra Problemas Problema s Multifisicos a.

Flui Fl uido do se sem m Esc Escoa oame ment nto o Vibração Induzida Por Vortex Escoamento Interno dentro do Gerador de Vapor (GV) Tubo Conduzindo Fluido (ou Tubo de Païdoussis)

b.

Flui Fl uido do sem sem Es Esco coam amen ento to Problemas Vibroacustico Vibroacusticos s Problemas de Hidroelásticos (Massa Adicional e Amortecimento Adicional) Adicional)

2

1

Multifisica – Multiescala – Multiprocessamento PROBLEMAS ACOPLADOS são modelados e simulados através de três “multis” (Felippa, 2006)  Multifisicos:

classifica o problema quanto ao modelo fisico das partes. Ex.: interação fluido-estrutura, magneto-hidrodinâmico, etc...

 Multiescalas

classifica o problema quanto à escala fisica do modelo fisico. Ex.: prbs. poroelasticos (permeação-mecânica, termo-mecânico, THM), biomecânica, modelos de turbulência, etc...

 Multiprocessamento

classifica o problema quanto aos solução numérica. Ex.: soluções numéricas monoliticas ou particionadas, etc...

3

Interação Dinâmica Fluido-Estrutura

4

2

Interação Dinâmica Fluido-Estrutura Aeroelasticidade em Corpos Rombudos e Perfis Aerodinâmicos

Ponte Tacoma

Flutter em Glider

Apenas em Problemas de Engenharia do Passado! 5

Interação Dinâmica Fluido-Estrutura

A interação fluido-estrutura é um fenômeno cada vez mais presente. 6

3

Alguns Exemplos de Fenômenos

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Gerador de Vapor : Escoamento Interno

Nombreux Composants Industriels (cœur du réacteur, GV, …) ► composés de faisceaux tubulaires vibrant sous l’effet d’un écoulement ► analyse avec soin pour des raisons de sureté (princ.) et économique

Analyse Vibratoire d’un Faisceau de Tubes sous Ecoulement ► maîtrise de vibrations induites par l’écoulement

8

4

Gerador de Vapor : Escoamento Interno

Vapeur-Eau (85% vapeur) Entrée de l’eau

Parte alta cintrada (mixtura agua-vapor)

Parte baixa (fluido monofasico)

Sortie de l’eau

Entrée de l’eau

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Instabilidade Fluido-Elástica   s   a   r   m   r    t   u

  o    i   r   o    t   a   r    b    i    V   u   e   v    i    N

Uo

Fenômeno Fluido-Elastico 

Excitação Aleatoria



Acrochagem (monofasico)



Excitação Aleatoria



Instabilidade Fluido-Elastica (IFE) Grandes Vibrações  Dano (usure)  Ruptura 

  a    i   c   n    ê   u   q   e   r    F

  c   u   r    t   s    E     o    d    i   u    l    F  .    l   p   o   c    A

Instabilidade fluido-elastica Acrochagem V critica

f k

  o    t   n   e   m    i   c   e    t   r   o   m    A

Velocidade Reduzida VR

10

5

Instabilidade Fluido-Elástica Acoplamento Fluido-Elastica (Interação Dinâmica Fluido-Estrutura) Fluido (Euleriana)

Estrutura (Lagrangeana)

Uo

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Vibração de uma Rede de Tubos sob Escoamento Efeito de Camaras

12

6

Problemas Vibroacusticos Vibrações em Dutos e Cavidades

Vibrações em Dutos:  compreensão de sistemas acoplados com escoamento (fluido-elastico) passa pela simulação de problemas em repouso.   fase preliminar para a simulação da operação normal e eventuais cenarios complexos ou acidentais.

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Problemas Vibroacusticos Vibrações em Barragens   

desenvolvimento de ferramentas dedicadas são raras. normalização esta restrita a norma americana US Corp. necessidade de entender a influência do sistema B+R

e os efeitos... catastroficos! Danos na barragem de Shih-Kang. Terremoto Chi-Chi. Taiwan 1999. (Wieland, 2002)

Barragem de Camará – PB 30.000 desabrigados (2004) 14

7

Descrição do Modelo Numérico 

n

S 

f 

 

n



u

n

i

s

i

 p

Estrutura - Domínio

Fluido - Domínio

s

Equação de Pequenos Movimentos da Estrutura, sob Efeitos de um Campo de Pressão P sobre  i.

f

Equações Acústico Linear do Fluido sob Efeito de um Movimento da Parede  i.

Interface IFE - Superfície i 15

Resultados Numéricos

IFS: Vibrações de Barragem

Domínio Sólido Domínio Fluido E= 2,11·1011 N/m²; c = 1500 m/s²; f  = 1000kg/m³; s = 7800kg/m³; L = 10,00m; H = 1,00 m;  = 0,30; t = 0,20m; S=1,00xH=1,00 m² 1° Modo Acoplado de Vibração -

Solução Aproximada(Massa Adicional)

1 =

143 Hz

ad =

131 Hz 16

8

Resultados Numéricos

IFS: Vibrações de Dutos

Conexão de Tubos com Pistão Geometria e Malha em El ementos Finitos Solução das Freqüencias Longitudinais da Cavidade Acústica Acoplada

  sen         cos    n

n

n

n

   cos  sen  cos    sen  sen  cos

n

n

n

n

n n

    0  

Dados do Problema: Caract.Geométricas: L = 2 l  = 1m; t = 0.05m S = 1m 2; s = 0.10m 2 Caract.do Sólido: 3 s = 7800 kg/m 2 K = 80 KN/m Caract.do Fluido: 3 f = 1000 kg/m c = 1500 m/s

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Resultados Numéricos(2)

IFS: Vibrações de Dutos

Tubulação Acoplada a Acumulador - Gibert(1988) Malha em Elem. Finitos

Esquema do Problema

l   s

S L

L

Dados do Problema: Caract.Geométricas: L = 10.0m; l  = 1.0m S = 1.0m; s  = 0.1m Caract.do Fluido: 3 f = 1000 kg/m c = 1500 m/s Caract.do Sólido: K = 100000 N/m; 3 s = 7800 kg/m

1° Forma Modal – em Oposição de Fase numérico = 1.6 rad/s aproximado = 1.82 rad/s 2° Forma Modal - em Fase numérico = 3.0 rad/s aproximado = 3.16 rad/s

18

9

Vibrações em Estruturas Offshore O fenômeno de altas Vibrações Induzida por Vortex  (VIV) está presente em estruturas petrolíferas offshore, por exemplo, cabos de ancoragem e condutos injetor/produtor (‘risers’) submetido as correntes marítimas.

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Vibração Induzido Por Vortex (VIV) Vibração Induzida por Vortex  (VIV) é uma classe de acoplamento fluido-estrutura associado ao descolamento de vortex de Karman em corpos  rombudos sob escoamento.

 © Williamson and Govardhan Annu. Rev. Fluid Mech. 2004

20

10

Vortex de Karman

 © NASA – Landsat 7 - 2000 (www.earthobservatory.nasa.gov)

21

Vibração Induzida por Vortex: Descrição VIV é responsável 

 induz vibrações cíclicas em cabos e condutos;   responsáveis

por

esforços nas estruturas;   usura,

fadiga, ..., e ruptura catastrófica

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11

Vibração Induzida por Vortex: Problemas Estudo de Modelos Fenomenológicos Semi-Analíticos 

Cilindro Isolado:  



Fachinetti (2003) e Violette (2009) Fortaleza (2011)

Cilindros em Paralelo/Linha

Calibração de Modelos por CFD   

ALE – 2D (Morais, 2006) ARF – 2D (Morais, 2006) 3D

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TLD & TLCD – Controle de Vib. em Turbina Eólica

With expansion of Wind Turbine Industries, we observe a increase of accidents due to dynamic actions (e.g., wind force, seismic activities, excessive vibration)

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12

But, passive device are contributing to control dynamic anomalies of excessive vibration by use of TMD. Here we have a example of Pendulum type TMD.

Response of a Pendulum TMD with Large Displacements López-Reyes et al. (2013) Proceedings of the 31st IMAC 25

Controle de Vibrações em Turbinas Eólicas

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