Desenvolvimento de procedimentos de modelagem de interação fluido-estrutura combinando a Teoria de Vigas de Cosserat e a metologia de fronteira imersa / Developing procedures for modeling fluid-structure interaction by combining the Cosserat beams theory and immersed boundary methodology

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2010

RESUMO

A presente tese descreve o trabalho de pesquisa realizado, com o objetivo de desenvolver, implementar e avaliar um procedimento de modelagem tridimensional de fenômenos fluidoestruturais que envolvem estruturas esbeltas, tais como vigas, barras e cabos. A nova abordagem adotada consiste na combinação da teoria de vigas de Cosserat aplicada a estruturas esbeltas, que leva em consideração as não-linearidades geométricas, e a metodologia de fronteira imersa, que é usada para representar a interação entre os domínios estrutural e fluido. O estudo está incluído no âmbito de Vortex-Induced Vibrations, que é um tema de grande interesse para a indústria petrolífera, especialmente em relação a modelagem de risers utilizados para exploração de petróleo em águas profundas. Segundo a teoria de vigas de Cosserat, a configuração deformada da viga é descrita através do vetor deslocamento da curva de centróides, e uma base móvel, rigidamente unida à seção transversal da viga, em relação a um referencial inercial. A principal vantagem desta teoria é que esta é geometricamente exata. E o método de elementos finitos é empregado para a discretização das equações do movimento. De acordo com a metodologia de fronteira imersa, a força sobre a interface sólido-fluido é calculada dinamicamente através das equações de balanço da quantidade de movimento sobre uma partícula de fluido na interface. As principais características da metodologia proposta são avaliadas por meio de uma série de simulações numéricas, tanto em regime estático como dinâmico, sobre o modelo estrutural, numa primeira fase, e o completo modelo fluido-estrutura, em uma segunda etapa. Os resultados obtidos permitem avaliar a precisão, as principais vantagens e limitações da metodologia, especialmente quanto aos aspectos numéricos. Além disso, eles permitiram colocar em evidência alguns aspectos fenomenológicos relevantes relacionados com o comportamento dinâmico de estruturas cilíndricas com diferentes níveis de flexibilidade, sujeitas ao escoamento caracterizado por diferentes valores de número de Reynolds.

ASSUNTO(S)

elementos finitos dinâmica de fluidos computacional cosserat theory dinâmica dos fluidos - métodos computacionais metodologia de fronteira imersa computational fluid dynamics interação fluido-estrutura método dos elementos finitos immersed boundary methodology finite emements engenharia mecanica fluid-structure interaction teoria de vigas de cosserat

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