Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Núcleo de Dinâmica e Fluidos – NDF
Departamento de Engenharia Mecânica, Brasil
e-mail:jmeneg@usp.br
José A. P. Aranha
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Núcleo de Dinâmica e Fluidos – NDF
Departamento de Engenharia Mecânica, Brasil
e-mail:japaran@usp.br
Gustavo R. S. Assi
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Núcleo de Dinâmica e Fluidos – NDF
Departamento de Engenharia Mecânica, Brasil
Bruno S. Carmo
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Núcleo de Dinâmica e Fluidos – NDF
Departamento de Engenharia Mecânica, Brasil
Autor para Correspôndencia: Julio Romano Meneghini
Instituição: Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Av. Prof. Mello Moraes, 2231, CEP 05508-900, São Paulo, SP
Fone: (11) 3091-5646
Email: jmeneg@usp.br
Neste trabalho pretende-se apresentar o fenômeno de formação e desprendimento de vórtices e sua relação com vibração induzida pelo escoamento. Por que estudar vórtices? A grande motivação do estudo reside na presença do mesmo em diversos problemas práticos em engenharia mecânica, naval, aeronáutica e civil e em problemas meteorológicos e oceânicos. Vórtices podem estar presentes na extremidade de asas e superfícies aerodinâmicas de controle presentes em aviões, nas asas deltas em condições de pouso da aeronave Concorde, em elementos cilíndricos de estruturas ``offshore’’ sujeitas a correntes e ondas, no tubo de sucção de uma turbina hidráulica, em trocadores de calor que operam com feixes de tubos e escoamentos transversais a eles, etc. Enumerar todas as aplicações é, sem dúvida alguma, uma enorme empreitada.
Uma série de fenômenos fluidodinâmicos é responsável pelas excitações que causam vibrações em corpos imersos em correntes de fluido. Um caso particular de vibração é aquele no qual a força hidrodinâmica responsável pela vibração é originária do campo de pressões devido à geração e desprendimento de vórtices. Esse caso particular é chamado de Vibração-Induzida por Vórtices (VIV) e está presente no caso de “risers”. Chamamos de “risers” as tubulações submersas que ligam as plataformas de produção e exploração de petróleo ao leito oceânico. Nestes dutos circulam: o óleo extraído, gases, água e detritos sólidos provenientes da perfuração. Geralmente, são confeccionados de dois modos: risers rígidos, construídos com chapas de aço costuradas com solda; e risers flexíveis, confeccionados com malhas estruturais de aço e fibras poliméricas revestidos interna e externamente com capas de polímero de alta densidade.
Esses risers cilíndricos, com diâmetros entre 20 e 50 centímetro, comportam-se como longas “linhas” flexíveis quando seu comprimento atinge as águas profundas. Por causa da ação das correntes marítimas, estes risers respondem com comportamentos dinâmicos variados, oscilando em diferentes freqüências, amplitudes, direções e modos. Um conjunto de risers movimentando-se de forma tão complexa tem sua vida de operação reduzida quando são danificados por choques entre tubos vizinhos ou se fraturam por fadiga estrutural. Uma profunda e complexa linha de pesquisa se desenvolve para compreender o comportamento de uma linha flexível lançada em arranjos do tipo catenária sob o efeito de correntes marítimas.
Algumas soluções atualmente aplicadas para minimizar essas VIV são extremamente onerosas (e.g. strakes), chegando à cifra de 4 milhões de dólares por riser instalado, podendo alcançar 80 milhões de dólares por sistema de produção! Assim, analisar a natureza dos fenômenos, estudar sua influência sobre conjuntos de estruturas e propor novas soluções viáveis que reduzam os efeitos danosos e aumente a durabilidade dos dutos são fundamentais.
Contudo, a complexidade dos fenômenos de VIV impede uma solução convencional para o problema. A natureza do problema fluidodinâmico ainda é intensamente estudada nos grandes centros de pesquisa ao redor do mundo. De acordo com Meneghini (Livre Docência, EPUSP, 2002), a metodologia mais promissora está baseada em uma análise com três olhares: adaptação de modelos analíticos para os fenômenos; análises computacionais com simulações numéricas; e comprovação e validação dos modelos e simulações em ensaios experimentais. Estas três vertentes complementares são todas importantes para a compreensão dos problemas de interação fluido-estrutura. Os modelos fenomenológicos mais avançados ainda carecem de parâmetros para sua validação. A abordagem numérica (CFD – Dinâmica dos Fluidos Computacional) mostra-se promissora, mas ainda encontra dificuldades relacionadas à tridimensionalidade dos fenômenos e elevados números de Reynolds. Por sua vez, a abordagem experimental tem dificuldades em reproduzir o fator de escala e as complexas condições reais do escoamento em laboratório. Conclusão: as três frentes são interdependentes.
O Núcleo de Dinâmica e Fluidos (NDF) da Escola Politécnica da USP tem desenvolvido diversas pesquisas na área de VIV. Ensaios com cilindros rígidos, com e sem strakes, montados em base elástica estão sendo realizados no canal de água circulante do NDF (veja fig. 1) utilizando um sistema laser PIV para medições do campo de vorticidade na esteira do cilindro oscilando. As medições experimentais fornecerão subsídios e paradigmas para o desenvolvimento dos modelos numéricos e analíticos simplificados. Fornecerão também subsídios para a concepção de novos mecanismos de atenuação ou supressão de VIV. Exemplos de simulações numéricas do escoamento ao redor de dois cilindros e de resultados experimentais do escoamento ao redor de um cilindro podem ser vistos nas figuras 2 e 3.
O estudo aprofundado do comportamento dinâmico das linhas de risers é fundamental para o avanço da extração de petróleo em águas profundas e, conseqüentemente, para o progresso da indústria petrolífera brasileira. Está claro que o problema das vibrações induzidas pelo escoamento deve ser estrategicamente estudado. Mas, como fazer para abordá-lo com uma metodologia científica? Ou melhor, como proceder para um correto estudo dentro do ambiente de pesquisa das academias e indústrias no Brasil? Este e outros pontos serão abordados na apresentação.