Estruturas rombudas são afetadas por vórtices alternantes conforme o escoamento as contorna. Este fenômeno impacta diversas aplicações, desde a vibração de chaminés, torres de refrigeração, turbinas eólicas flutuantes offshore até enormes plataformas de petróleo; e podem causar danos significativos quando vibrações induzidas por vórtices ocorrem. Para controlar a esteira de vórtices, diversas técnicas foram desenvolvidas; a maior parte das quais é suscetíveis à direcionalidade ou dispêndio de potência excessivo. Neste trabalho, buscamos entender a física subjacente por trás do mecanismo de controle da esteira que consiste em um grande corpo cercado por oito cilindros finos de menor diâmetro, distantes do anterior por um espaçamento. A relevância destes elementos no controle do escoamento com malha aberta é examinada passiva e ativamente, rotacionando-os em torno de seu próprio eixo para se injetar quantidade de movimento no escoamento próximo ao sistema. Simulações de volumes finitos em regimes laminar e turbulento foram empregadas em números de Reynolds 100 e 1000, respectivamente; para as suposições de corpos infinitamente longos e finitos. Na primeira suposição, efeitos de ponta foram ignorados. Esta simplificação é razoável quando a razão entre o comprimento do corpo e seu diâmetro é suficientemente alta. Para corpos finitos, efeitos de ponta e de superfície livre foram considerados. No último caso, efeitos de onda foram ignorados, pois o sistema foi avaliado em baixos números de Froude. Inspiradas pelo estado ótimo do escoamento potencial, que configura uma condição de supressão do escoamento com arrasto médio nulo, as velocidades angulares foram comparadas, no caso viscoso, em dois arranjos: um com velocidades inspiradas pelo escoamento potencial, e outro, com cilindros rotacionando com a mesma taxa de rotação. Forças hidrodinâmicas, dinâmica de vórtices e dispêndio de potência são principalmente abordados aqui. Nossos resultados mostram que inserir estes pequenos elementos ao corpo maior principal aperfeiçoou o controle da esteira; principalmente quando efeitos de ponta foram ignorados. Em tais configurações, os cilindros rotativos progressivamente enfraqueceram a esteira de vórtices em magnitude de vorticidade, e promoveram o aumento da correlação das estruturas da esteira na direção paralela à envergadura dos cilindros. Cada cilindro foi individualmente avaliado sobre sua importância relative ao sistema como um todo. Para velocidades angulares suficientemente altas, os cilindros eliminaram a esteira de vórtices completamente e conduziram o escoamento a adentrar uma condição de regime permanente. Estes efeitos foram acompanhados pela mitigação das forças hidrodinâmicas, em particular, arrasto médio e raiz quadrada média da sustentação. Os mesmos efeitos foram observados para cilindros finitos sob o efeito de uma superfície livre (em regimes subcríticos de números de Reynolds e de Froude). Sob estas condições, o mecanismo ativo eliminou a maior parte da esteira de vórtices que segue o mecanismo de formação de Gerrard (1966), entretanto, não eliminou a parte associada com vórtices de ponta. Forças laterais foram reduzidas, e mostramos que isto está relacionado a vórtices em formato de anel, que atraíam outras pequenas estruturas da esteira de Bénard-von Kármán, que eventualmente foi suprimida. Em geral, o mecanismo ativo de velocidades angulares inspiradas pelo escoamento potencial provou ser mais viável, com base na formulação de perda de potência introduzida por Shukla e Arakeri (2013); e efetivo na reduçao de forças, relativo ao caso de velocidades uniformes. Ademais, estudos de direcionalidade do sistema mostraram, no caso inspirado pelo escoamento potencial, um comportamento omnidirecional, distinto daquele do sistema de velocidades angulares uniformes de trabalhos anteriores, que é suscetível à direção do escoamento.

Bluff structures are affected by alternating vortices as a fluid flows past them. This phenomenon affects a multiplicity of applications, ranging from the vibration of chimney stacks, cooling towers, floating offshore wind turbines to massive oil rigs; and may cause significant damages when vortex-induced vibrations occur. In order to control the vortex wake, several techniques have been devised; most of which are susceptible to directionality or excessive power expenditure. In the present work, we attempt to understand the underlying physics behind a wake control mechanism consisting of a larger body surrounded by eight slender rods of smaller diameter, distanced from the former by a gap. The relevance of these small elements in open-loop flow control was examined passively and actively, by spinning them around their own axis to inject momentum into the nearby flow. Finite volume simulations in laminar and turbulent regimes were employed at Reynolds numbers of 100 (2D) and 1000 (3D), respectively; for the assumptions of infinitely-long and finite bodies. In the former, end effects were disregarded. This simplification is reasonable when the the ratio of the length of the body by its diameter is high enough. For finite bodies, free-end and freesurface effects were considered. In the latter, wave effects were neglected, because the system was assessed at low Froude number. Inspired by the optimal state of potential flow, which configures a suppressed condition with null mean drag, angular velocities were compared, in viscous case, in two arrangements: one with potential-flow-inspired velocities, and another, with all rods spinning at the same rotation rate. Hydrodynamic loads, vortex dynamics and power expenditure are principally addressed here. Our results show that to attach the small elements to the larger main body enhanced wake control; especially when end effects were ignored. In such setups, the spinning rods progressively weakened the vortex wake in vorticity magnitude, and promoted the increase in correlation of structures of the wake in the direction parallel to the cylinders span. Each rod was individually assessed as to its importance to the entire system. For sufficiently large angular velocities, the rods completely eliminated the vortex wake and led the flow into a steady condition. These effects were accompanied by the mitigation of the hydrodynamic loads, in particular, mean drag and root mean square of lift. The same effects were found to occur for finite bodies under the effect of a free surface (in subcritical regime in terms of Reynolds and Froude numbers). Under these conditions, the active mechanism eliminated the bulk of the vortex-wake that followed the formation mechanism proposed by Gerrard (1966), but not the part associated with tip-vortices. Side forces were still decreased, and we showed this to be related to ring-like vortices detaching from the tip region that drew in other smaller structures of the Bénard-von Kármán wake, that was eventually suppressed. In general, the active mechanism, inspired by potential-flow angular velocities proved to be more cost-effective based on the formulation of power-loss introduced by Shukla and Arakeri (2013); and effective in reducing loads relative to the case of uniform velocities. Furthermore, studies on the directionality of the system exhibited in potential-flow-inspired cases an omnidirectional behaviour, against the directional-prone setup of uniform angular velocities from past studies.