Dissertação de Mestrado

Esse estudo possibilitou a caracterização da resposta dinâmica das travessas vibrando em seu primeiro modo de flexão, quando excitadas por vórtices de von Kármán. Foi desenvolvido um modelo de cálculo 2D transiente, por meio de CFD, incorporando o efeito da interação fluido-estrutura, permitindo que o perfil se deslocasse perpendicularmente ao escoamento. Esse modelo, após calibrado com resultados de medições feitas em campo e em laboratório, possibilitou a avaliação de uma modificação geométrica efetiva para suprimir a excitação que levava as travessas à ressonância em seu primeiro modo de flexão. Ensaios conduzidos em campo após a modificação da travessa mostraram que os níveis de tensão foram reduzidos em aproximadamente 90% quando comparados aos medidos nas travessas com geometria inicial, eliminando a fonte de nucleação e propagação de trincas. Nesse último ensaio, também foi verificado que ao menos uma das travessas com geometria alterada passou a ser excitada em seu primeiro modo de torção. Essa situação não é única e existem outros estudos, citados nesta dissertação, nos quais houve o mesmo fato. Ou seja, foi caracterizada a vibração em modo flexional e, após proposta de correção, o modo torcional passou a ser excitado. Por conta desse resultado, ainda que os níveis de tensão associados não sejam críticos, surgiu também o interesse em estender o modelo numérico desenvolvido, considerando um domínio 3D, na tentativa de caracterizar a resposta da travessa em seu primeiro modo torcional e avaliar a eventual influência de outros efeitos hidroelásticos na resposta dinâmica dos perfis. Os modelos tridimensionais avaliados não reproduziram resultados adicionais aos obtidos pela análise bidimensional, que foi considerada satisfatória e suficiente para caracterizar o primeiro modo de flexão da travessa sujeita à vibração induzida por vórtices, inclusive reproduzindo o efeito da sincronização, típico deste tipo de excitação.

This study characterized the dynamic response of stay vanes vibrating in their first bending mode once excited by von Kármán vortices. A 2D transient CFD model was developed incorporating the fluid-structure interaction effects, allowing the movement of the profile in a direction perpendicular to the flow. The numerical model was calibrated with results obtained at site and at the laboratory, allowing the assessment of a geometrical modification that could mitigate the excitation that led the stay vanes to resonate in their first bending mode. Field measurements performed with the modified stay vanes revealed that the stress levels were reduced in approximately 90% in comparison with the ones measured at the original stay vanes, thus eliminating the source of cracks nucleation and propagation. In this last field measurement, it was also identified that at least one of the modified stay vanes was vibrating in its first torsional mode. This situation isnt unique and there are other studies, mentioned in this text, in which the same fact happened. That is, the vibration on the bending mode was characterized and after a geometry change was proposed, the torsional mode was excited. Based on this finding, even though the associated stress levels are not critical, there was an interest in extending the developed numerical model to consider a 3D domain, as an attempt to characterize the stay vanes response on their first torsional mode and evaluate the eventual influence of other hydroelastic effects in the dynamic response of the profiles. The 3D models assessed did not reproduce additional results other than the ones generated by the 2D analysis, that was considered satisfactory and enough to characterize the first bending mode of the stay vanes subjected to vortex-induced vibrations, also representing the typical lock-in effect associated to this type of excitation.