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Introducao Ao Curso Interação Fluido Estrutura
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Brasilia, maro de 2015
Marcus Vinicius G. de Morais
Interao Fluido-Estrutura
- Tpicos Especiais 1 & 2 em Cincias Mecnicas -
- Tpicos Especiais 1 & 2 em Sistemas Dinmicos -
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Plano da Apresentao
1. Multifisica Multiescala Multiprocessamento
Definies: Multifisicos Multiescalas Multiprocessamento
Contexto Industrial Exemplos Prticos
2. Interao Dinmica Fluido-Estrutura
Problemas Multifisicos
a. Fluido sem Escoamento
Vibrao Induzida Por Vortex
Escoamento Interno dentro do Gerador de Vapor (GV)
Tubo Conduzindo Fluido (ou Tubo de Padoussis)
b. Fluido sem Escoamento
Problemas Vibroacusticos
Problemas de Hidroelsticos
(Massa Adicional e Amortecimento Adicional)
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Multifisica Multiescala Multiprocessamento
PROBLEMAS ACOPLADOS so modelados e simulados atravs de trs multis (Felippa, 2006)
Multifisicos: classifica o problema quanto ao modelo fisico das partes.
Ex.: interao fluido-estrutura, magneto-hidrodinmico, etc...
Multiescalas classifica o problema quanto escala fisica do modelo fisico.
Ex.: prbs. poroelasticos (permeao-mecnica, termo-mecnico, THM), biomecnica, modelos de turbulncia, etc...
Multiprocessamento classifica o problema quanto aos soluo numrica.
Ex.: solues numricas monoliticas ou particionadas, etc...
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Interao Dinmica Fluido-Estrutura
3
Interao Dinmica Fluido-Estrutura
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Ponte Tacoma
Aeroelasticidade em Corpos Rombudos e Perfis Aerodinmicos
Flutter em Glider
Apenas em Problemas de Engenharia do Passado!
Interao Dinmica Fluido-Estrutura
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A interao fluido-estrutura um
fenmeno cada vez mais presente.
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Alguns Exemplos de Fenmenos
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Gerador de Vapor : Escoamento Interno
Nombreux Composants Industriels (cur du racteur, GV, ) composs de faisceaux tubulaires vibrant sous leffet dun coulement analyse avec soin pour des raisons de suret (princ.) et conomique
Analyse Vibratoire dun Faisceau de Tubes sous Ecoulement matrise de vibrations induites par lcoulement
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Gerador de Vapor : Escoamento Interno
Parte alta cintrada (mixtura agua-vapor)
Entre
de leau
Entre
de leau Sortie
de leau
Vapeur-Eau
(85% vapeur)
Parte baixa
(fluido monofasico)
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Instabilidade Fluido-Elstica
Fenmeno Fluido-Elastico
Excitao Aleatoria
Acrochagem (monofasico)
Excitao Aleatoria
Instabilidade Fluido-Elastica (IFE) Grandes Vibraes Dano (usure) Ruptura
Am
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Flu
ido
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ra
Acrochagem
Instabilidade
fluido-elastica
V critica
Velocidade Reduzida VR
fk
Uo
6
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Instabilidade Fluido-Elstica
Acoplamento Fluido-Elastica
(Interao Dinmica Fluido-Estrutura)
Uo
Estrutura (Lagrangeana)
Fluido (Euleriana)
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Vibrao de uma Rede de Tubos sob Escoamento
Efeito de Camaras
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Problemas Vibroacusticos
Vibraes em Dutos e Cavidades
Vibraes em Dutos: compreenso de sistemas acoplados com
escoamento (fluido-elastico) passa pela
simulao de problemas em repouso.
fase preliminar para a simulao da
operao normal e eventuais cenarios
complexos ou acidentais.
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Problemas Vibroacusticos
Vibraes em Barragens
desenvolvimento de ferramentas dedicadas so raras. normalizao esta restrita a norma americana US Corp. necessidade de entender a influncia do sistema B+R
e os efeitos...
catastroficos!
Danos na barragem de
Shih-Kang. Terremoto Chi-Chi.
Taiwan 1999. (Wieland, 2002)
Barragem de Camar PB 30.000 desabrigados (2004)
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Descrio do Modelo Numrico
s
f
n
n
i i
n
S
p
u
Fluido - Domnio f Estrutura - Domnio s
Equao de Pequenos Movimentos da Estrutura, sob Efeitos de um Campo de Presso P sobre i.
Equaes Acstico Linear do Fluido sob Efeito de um Movimento da Parede i.
Interface IFE - Superfcie i
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Resultados Numricos IFS: Vibraes de Barragem
Domnio Fluido
c = 1500 m/s; f = 1000kg/m;
L = 10,00m; H = 1,00 m;
S=1,00xH=1,00 m
Domnio Slido
E= 2,111011 N/m;
s = 7800kg/m;
= 0,30; t = 0,20m;
1 Modo Acoplado de Vibrao - 1 = 143 Hz
Soluo Aproximada(Massa Adicional) ad = 131 Hz
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Resultados Numricos IFS: Vibraes de Dutos
Conexo de Tubos com Pisto
Geometria e Malha em Elementos Finitos
Soluo das Freqencias Longitudinais
da Cavidade Acstica Acoplada
Caract.Geomtricas:
L = 2 l = 1m; t = 0.05m
S = 1m2; s = 0.10m2
Caract.do Fluido:
f = 1000 kg/m3
c = 1500 m/s
Caract.do Slido:
s = 7800 kg/m3
K = 80 KN/m2
Dados do Problema:
0sensencoscos
sencoscossen
nnnn
nnnnnn
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Resultados Numricos(2)
Tubulao Acoplada a Acumulador - Gibert(1988)
Malha em
Elem. Finitos
Caract.Geomtricas:
L = 10.0m; l = 1.0m
S = 1.0m; s = 0.1m
Caract.do Fluido:
f = 1000 kg/m3
c = 1500 m/s
Caract.do Slido:
K = 100000 N/m;
s = 7800 kg/m3
Dados do Problema: L L
s S
Esquema do
Problema
l
1 Forma Modal em Oposio de Fase
numrico = 1.6 rad/s
aproximado = 1.82 rad/s
2 Forma Modal - em Fase
numrico = 3.0 rad/s
aproximado = 3.16 rad/s
IFS: Vibraes de Dutos
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Vibraes em Estruturas Offshore
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O fenmeno de altas Vibraes Induzida por Vortex (VIV)
est presente em estruturas petrolferas offshore, por
exemplo, cabos de ancoragem e condutos injetor/produtor
(risers) submetido as correntes martimas.
Vibrao Induzido Por Vortex (VIV)
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Vibrao Induzida por Vortex (VIV) 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
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Vortex de Karman
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NASA Landsat 7 - 2000 (www.earthobservatory.nasa.gov)
Vibrao Induzida por Vortex: Descrio
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VIV responsvel
induz vibraes cclicas em cabos e condutos;
responsveis por esforos nas
estruturas;
usura, fadiga, ..., e ruptura catastrfica
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Vibrao Induzida por Vortex: Problemas
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Estudo de Modelos Fenomenolgicos
Semi-Analticos
Cilindro Isolado: Fachinetti (2003) e Violette (2009) Fortaleza (2011)
Cilindros em Paralelo/Linha
Calibrao de Modelos por CFD
ALE 2D (Morais, 2006) ARF 2D (Morais, 2006) 3D
TLD & TLCD Controle de Vib. em Turbina Elica
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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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Response of a Pendulum TMD with Large Displacements
Lpez-Reyes et al. (2013) Proceedings of the 31st IMAC
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.
Controle de Vibraes em Turbinas Elicas
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